KR19990043477A - 자동차용 산소 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 배기 가스 중의 산소 농도를 측정하기 위한 자동차용 산소 센서(O₂센서)에 관한 것으로, 센서 어셈블리가 조립되는 육각 홀더 및 센서 어셈블리의 하단부를 보호하기 위한 보호 튜브부를 일체로 형성한 보호 튜브 일체형 육각 홀더와, 상기 보호 튜브부에 결합 고정되어 센서 어셈블리를 이중으로 보호하는 보호 캡을 포함하여 구성한다.

상기와 같은 본 발명에 의하면, 센서 소자의 보호를 위한 구성을 보다 단순화하여 제조 원가의 절감에 기여할 뿐만 아니라, 생산성 향상에 기여하며, 또한 배기 가스의 회전 현상이 확실하게 이루어지도록 함으로써 센서의 성능 향상에 기여한다.

Description

자동차용 산소 센서

본 발명은 배기 가스 중의 산소 농도를 측정하기 위한 자동차용 산소 센서(O₂센서)에 관한 것이다.

일반적으로 자동차의 전자제어식 연료분사장치는 인젝터와 연료 분사량을 제어하는 ECU(Eletric Control Unit)를 이용하여 엔진에서 필요로 하는 혼합기의 공급하는 장치로써, 엔진의 회전 속도, 흡기 공기량, 냉각수 온도 및 흡입 공기 온도 등, 엔진의 상태를 각종 센서로 검지한 후, 연산하여 각 운전 조건에 가장 적합한 혼합기의 공급을 유효 적절하고 정밀하게 하는 장치이다.

상기와 같이, 자동차의 전자제어식 연료분사장치는 엔진의 상태를 검지하기 위하여 여러 가지 기능을 수행하는 각종 센서를 구비하고 있는 바, 이하에서는 그 각종 센서 중에서 산소 센서에 대하여 설명하기로 한다.

통상적으로 산소 센서는 삼원 촉매식 차량에 필요한 것으로, 배기 가스 중의 산소 농도를 전기적으로 검출하는 작용을 한다. 삼원 촉매가 가장 좋은 정화 성능을 발휘하기 위하여는 공연비를 모든 운전 조건 하에서 항상 이론 공연비 부근의 좁은 범위가 되도록 제어할 필요가 있다. 따라서 삼원 촉매 컨버터에 들어가기 전의 배기 가스 중에 포함된 산소 농도를 정확히 검출하여 이것을 ECU로 보내어 연료의 분사량이 항상 이론 공연비에 가까운 상태를 유지하도록 한다.

즉, 산소 센서의 온도가 높아지면 백금의 촉매 작용에 의하여 이론 공연비를 경계로 하여 기전력이 급변하는 특성이 나타나기 때문에 산소 센서를 배기관 내부에 설치하여 외면을 배기 가스에 접촉되도록 하고, 내면에는 대기를 도입하여 배기 가스 중의 산소 농도를 기전력에 의해 검출한다.

상기와 같은 산소 센서의 전형적인 실시 형태가 미국 특허 번호(U.S.PAT NO) 제 4,683,049호와, 제 4,929,331호 등에 알려지고 있는 바, 그 일례를 첨부 도면에 의하여 설명하면 다음과 같다.

도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 종래 기술에 의한 산소 센서의 하우징(HOUSING)은 크게, 중심 몸체 역할을 하는 육각 홀더(1)와, 센서 소자 및 소형 세라믹 히터(HEATER)를 배기 가스에 포함된 각종 이물질로부터 이중으로 보호하기 위한 이중막 보호 튜브(10)로 나눌 수 있다.

상기 육각 홀더(1)는 배기관(도시하지 않음)에 고정될 수 있도록 구성되어 있으며, 내측의 하단부에 센서 소자(2)가 구비되어 있다.

상기 이중막 보호 튜브(10)는 내부 튜브(11)와, 외부 튜브(12)로 구성되어 있고, 그 내부 튜브(11) 및 외부 튜브(12)는 스폿 용접(SPOT WELDING)에 의해 육각 홀더(1)의 외주면에 고정되어 있다.

상기 내부 튜브(11) 및 외부 튜브(12)는 소정의 간격이 유지되어 있고, 그 각각에는 서로 다른 높이로 수개의 흡기공(11a)(12a)이 형성되어 있다.

상기와 같이 구성되는 종래 기술에 의한 자동차용 산소 센서는 배기 가스의 배출 경로 상에 고정 설치되는 바, 배기 가스의 배출 경로를 따라 배출되는 배기 가스가 외부 튜브(12)의 흡입공(12a)을 통하고 내부 튜브(11)의 흡입공(11a)을 통해 이중막 보호 튜브(10)의 내부로 흡입된다.

이와 같이 이중막 보호 튜브(10)의 내부로 흡입된 배기 가스는 센서 소자(2)에 접촉하게 되고, 따라서 상기 센서 소자(2)에 의해 배기 가스 중의 산소 농도를 감지하여 ECU로 전달함으로써 엔진 연소실 내의 공연비를 일정하도록 제어하게 된다.

이 때, 상기 외부 튜브(12) 및 내부 튜브(11)에 각각 형성된 흡입공(11a)(12a)은 서로 다른 높이로 형성되어 있으므로 외부의 배기 가스가 센서 소자(2)에 직접 접촉하는 현상을 방지하여, 배기 가스 내부에 포함된 이물질의 혼입을 방지하고, 또한 린-시프트(LEAN -SHIFT) 현상을 방지한다.

그러나, 상기와 같은 자동차용 산소 센서는 이중막 보호 튜브(10)의 제조를 위하여 내부 튜브(11)와 외부 튜브(12)를 각각 성형하고, 그 특정 부위에 흡입공(11a)(12a)을 각각 성형하여야 하는 등, 이중막 보호 튜브(10)의 제조가 용이하지 못할 뿐만 아니라, 부수적인 조립 공정을 필요로 함으로써 제조 원가를 상승시키고, 전체적으로 생산성을 저하시키는 요인으로 작용하는 등의 문제점이 있었다.

또한, 배기 가스의 흐름상 효과적인 회전(SWIRL) 현상을 만들 수 없는 관계로 산소 센서의 출력을 향상시키는데 한계가 있었다.

본 발명의 주 목적은 센서 소자의 보호를 위한 구성을 보다 용이한 방법으로 제조하여 제조 원가의 절감에 기여하고, 생산성 향상에 기여할 수 있도록 한 자동차용 산소 센서를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 배기 가스의 회전 현상이 확실하게 이루어지도록 함으로써 성능을 보다 향상시킬 수 있도록 한 자동차용 산소 센서를 제공함에 있다.

도 1 및 도 2는 종래 기술에 의한 자동차용 산소 센서의 일례를 보인 것으로,

도 1은 종단면도.

도 2는 도 1의 A - A선 단면도.

도 3 내지 도 5는 본 발명에 의한 자동차용 산소 센서의 일실시례를 보인 것으로,

도 3은 종단면도.

도 4는 보호 튜브 일체형 육각 홀더의 종단면도.

도 5는 도 4의 B - B선 단면도.

도 6 내지 도 8은 본 발명에 의한 자동차용 산소 센서의 다른 실시례를 보인 것으로,

도 6은 사시도.

도 7은 보호 튜브 일체형 육각 홀더의 종단면도.

도 8은 도 7의 C - C선 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 ; 보호 튜브 일체형 육각 홀더 11,11' ; 보호 튜브부

12 ; 육각 홀더부 13,14 ; 흡기공

15 ; 나사부 16,17 ; 제1 및 제2 단턱부

20 ; 센서 어셈블리 21 ; 세라믹관

22 ; YSZ 센서 소자 23 ; 세라믹 소형 히터

24 ; 글래스 파우더 25 ; 세라믹 시멘트

31; 아웃 커버(Out-Cover) 32 ; 인너 커버(Inner-Cover)

50,60 ; 보호 캡 51,52 ; 흡기공

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 센서 어셈블리가 조립되는 육각 홀더 및 센서 어셈블리의 하단부를 보호하기 위한 보호 튜브부를 일체로 형성한 보호 튜브 일체형 육각 홀더와, 상기 보호 튜브부에 결합 고정되어 센서 어셈블리를 이중으로 보호하는 보호 캡을 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 자동차용 산소 센서가 제공된다.

상기 보호 캡의 일실시례로써, 상하부가 개방된 원통 형상으로, 보호 튜브부의 외부에서 소정의 간격이 유지되도록 고정하며, 외주면에 내외부를 관통하는 수개의 흡기공을 형성하고, 상기 보호 튜브부의 일실시례로써, 하부가 막힌 원통 형상이고, 그 외주면에 중심을 향하여 소정의 경사각을 갖는 수개의 흡기공을 형성한다.

바람직하게, 상기 보호 튜브부의 흡기공은 예각을 이루도록 구성한다.

바람직하게, 상기 보호 캡의 흡기공 및 보호 튜브부의 흡기공은 적어도 1 이상의 단을 이루며 소정의 높이 차이를 두고 형성한다.

바람직하게, 상기 보호 튜브부의 저부 중앙부에 상하부를 관통하는 흡기공을 더 형성한다.

또한, 상기 보호 캡의 다른 실시례로써, 하부가 막힌 원통 형상으로, 보호 튜브부의 외부에서 소정의 간격이 유지되도록 고정하며, 외주면에 내외부를 관통하는 수개의 흡기공을 형성하고, 상기 보호 튜브부의 다른 실시례로써, 소정의 폭 및 높이를 갖고 육각 홀더부의 하면에 일정 간격을 두고 형성하며, 상기 보호 캡의 흡기공은 보호 튜브부에 대향되는 위치에 형성한다.

바람직하게, 상기 보호 캡의 저부 중앙부에 상하부를 관통하는 흡기공을 더 형성한다.

이하, 본 발명에 의한 자동차용 산소 센서를 첨부 도면에 도시한 실시례에 따라서 설명하면 다음과 같다.

도 3 내지 도 5는 본 발명에 의한 자동차용 산소 센서의 일실시례를 보인 것으로, 도 3은 종단면도이고, 도 4는 보호 튜브 일체형 육각 홀더의 종단면도이며, 도 5는 도 4의 B - B선 단면도이다.

도면에 도시한 자동차용 산소 센서는 평판형 산소 센서로서, 그 구성을 살펴보면, 하부에는 보호 튜브부(11)가 형성되고 상부에는 육각 홀더부(12)가 형성된 보호 튜브 일체형 육각 홀더(10)에 센서 어셈블리(20)를 결합 고정하고, 상기 보호 튜브 일체형 육각 홀더(10)의 보호 튜브부(11)에 보호 캡(50)을 결합 고정하여 구성한 것을 특징으로 하고 있다.

상기 보호 튜브 일체형 육각 홀더(10)는 보호 튜브부(11)의 외주면에 중심에 대하여 소정의 경사각(Z)을 갖도록 수개의 흡기공(13)이 일정한 방향으로 형성되어 있다.

상기 흡기공(13)의 경사각(Z)은 예각으로서, 더욱 좋기로는 30°∼ 60°로 설정한다.

상기 흡기공(13)은 도면에 도시한 바와 같이, 소정의 높이 차이를 갖도록 2단으로 형성하는 것이 바람직하다. 그러나, 꼭 이에 한정하는 것은 아니며, 그 이하 또는 그 이상으로 형성하여도 무방하다.

또한, 상기 보호 튜브부(11)의 저부 중앙부에는 상하부와 통하는 또 다른 흡기공(14)이 형성되어 있다.

상기 흡기공(14)은 상측의 흡기공(13)과는 달리 직각의 통형으로 성형하였다.

상기 육각 홀더부(12)는 외주면에 배기관 등과의 체결을 위한 나사부(15)가 형성되어 있으며, 상단부에는 아웃 커버(Out-Cover)(31)와 인너 커버(Inner- Cover)(32)와의 체결을 위한 제1 및 제2 단턱부(16)(17)가 형성되어 있다.

상기와 같은 보호 튜브 일체형 육각 홀더(10)는 내열 내식성 재료를 이용하여 제작하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 센서 어셈블리(20)는 보호 튜브 일체형 육각 홀더(10)의 내부에 결합되는 세라믹관(21)과, 양측에 서로 평행하도록 밀착 고정되고 상기 세라믹관(21)에 하측으로 소정 길이만큼 돌출되도록 결합되는 YSZ(Yttria Stabilized Zrconia) 센서 소자(22) 및 세라믹 소형 히터(23)와, 상기 세라믹관(21)의 내부에 충진되는 글래스 파우더(GLASS POWDER)(24)와, 상기 세라믹관(21)의 상부에 세라믹관(21)의 상부를 감싸도록 충진되는 세라믹 시멘트(25)를 포함하고 있다.

상기 세라믹 시멘트(25)는 인너 커버(32)의 내부를 채우도록 충진하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 보호 캡(50)은 배기 가스 중에 포함된 이물질이 YSZ 센서 소자(22) 및 세라믹 소형 히터(23)가 있는 부위로 유입되지 못하도록 이중막의 역할을 한다.

본 발명의 일실시례에 따른 보호 캡(50)의 구성을 보다 상세하게 설명하면, 상하부가 개방되고 보호 튜브부(11)보다 큰 직경을 갖는 원통 형상으로써, 보호 튜브부(11)에 형성된 제3 단턱부(18)에 스폿 용접에 의해 고정하는 것이 바람직하다.

그러나, 보호 캡(50)의 고정 방식은 스폿 용접에만 한정하는 것은 아니며, 제3 단턱부(18)의 외주면에 수나사부를 형성하고, 보호 캡(50)의 내주면에 암나사부를 형성하여 그 보호 캡(50)을 나사 체결 방식으로 고정하여도 무방하다.

또한, 상기 보호 캡(50)에 소정의 각도로 수개의 흡기공(51)을 형성하되, 상기 보호 캡(50)의 흡기공(51)과, 보호 튜브부(11)의 흡기공(13)은 소정의 높이 차이를 갖도록 형성하여, 배기 가스가 YSZ 센서 소자(22) 및 세라믹 소형 히터(23)에 직접 접촉되지 않도록 하는 것이 바람직하다.

도면중 미설명 부호 41은 고무 패킹(Rubber Packing), 42는 신호 인출 및 히터 전압 인가를 위한 와이어를 각각 보인 것이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 자동차용 산소 센서는 먼저, 세라믹관(21)에 센서 소자(22) 및 세라믹 소형 히터(23)을 평행하게 밀착되도록 하는 동시에 세라믹관(21)의 하측으로 소정 길이만큼 돌출되도록 결합시키고, 상기 세라믹관(21)의 내부에 글래스 파우더(24)를 충진시킨 후, 상기 세라믹관(21)의 상부에 세라믹 시멘트(25)를 충진시켜 센서 어셈블리(20)를 조립한다.

상기 센서 어셈블리(20)를 보호 튜브 일체형 육각 홀더(10)의 내부에 결합하고, 상기 보호 튜브 일체형 육각 홀더(10)의 제1 및 제2 단턱부(16)(17)에 아웃 커버(31) 및 인너 커버(32)를 결합한다. 이 때 제1 단턱부(17)에 인너 커버(32)를 결합 후, 세라믹 시멘트(25)를 재충진시킨 뒤, 제2 단턱부(16)에 아웃 커버(31)를 결합한다.

상기 인너 커버(32)의 상부에 패킹 고무(41)를 지지한 상태에서 아웃 커버(31)의 하단부를 보호 튜브 일체형 육각 홀더(10)에 고정시키고, 상기 보호 튜브 일체형 육각 홀더(10)의 보호 튜브부(11)에 형성된 제3 단턱부(18)에 보호 캡(50)을 스폿 용접 또는 나사 체결 방식으로 고정함으로써 본 발명의 자동차용 산소 센서를 조립하게 되는 것이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 자동차용 산소 센서에 의하면, 배기 가스 경로를 따라 배출되는 배기 가스가 보호 튜브 일체형 육각 홀더(10)의 보호 튜브부(11)에 결합된 보호 캡(50)을 지나게 되는 바, 이 때 보호 캡(50)에 형성된 흡기공(51) 및 보호 튜브부(11)의 흡기공(13)을 통해 보호 튜브부(11)의 내부를 통과하게 된다.

이 때, 보호 캡(50)에 형성된 흡기공(51) 및 보호 튜브부(11)의 흡기공(13)은 서로 다른 높이로 각각 형성되어 있으므로, 배기 가스가 YSZ 센서 소자(22) 및 세라믹 소형 히터(23)에 직접 접촉되지는 않는다.

또한, 상기 보호 튜브부(11)의 흡기공(13)은 중심에 대하여 30°∼ 60°의 경사각(Z)을 갖고 일정한 방향으로 형성되어 있고, 보호 튜브부(11)의 저부 중앙부에 상하부를 관통하는 흡기공(14)이 형성되어 있으므로 흡입 배기 가스는 회전 현상(SWIRL)을 일으키면서 보호 튜브부(11)의 내부로 흡입되어 YSZ 센서 소자(22) 및 세라믹 소형 히터(23)에 접촉하게 되며, 이로 인해 배기 가스 중의 산소 농도를 감지하여 나타나는 전기적 신호인 센서 출력 특성이 린 시프트 현상없이 양호한 값을 나타나게 되는 것이다.

상기 YSZ 센서 소자(22) 및 세라믹 소형 히터(23)는 보호 캡(50) 및 보호 튜브부(11)에 의한 이중막의 내부에 위치함으로써 배기 가스의 직접 접촉에 의한 YSZ 센서 소자(22)의 냉각 현상을 방지하고, 배기 가스 중에 포함된 이물질과의 직접 접촉을 피할 수 있는 것이다.

한편, 도 6 내지 도 8은 본 발명에 의한 자동차용 산소 센서의 다른 실시례를 보인 것으로, 상기 보호 튜브 일체형 육각 홀더(10)의 하부에 소정의 폭 및 높이를 갖는 수개의 원호상 보호 튜브부(11')를 일정 간격을 두고 형성하고, 상기 보호 튜브부(11')의 외측에 형성된 제3 단턱부(18)에 하부가 막혀있는 원통 형상의 보호 캡(60)을 결합 고정하여 구성한 것이다.

상기 보호 캡(60)에는 원주 방향으로 수개의 흡입공(61)이 형성되어 있고, 저부의 중앙에 상하부를 통하도록 하는 흡기공(62)이 형성되어 있다.

상기 원주 방향으로 형성된 흡기공(61)은 보호 튜브부(11')에 대향되도록 형성되어 있어, 보호 캡(60)의 흡기공(61)으로 흡입된 배기 가스가 일차적으로 보호 튜브부(11')에 부딪쳐 YSZ 센서 소자(22) 및 세라믹 소형 히터(23)에 직접 접촉되는 현상을 방지하도록 한다.

도면중 본 발명의 일실시례와 동일한 부분에 대하여는 동일 부호를 부여하였다.

상기와 같이 본 발명은 그 실시례로서 자동차용 평판형 산소 센서를 설명하였으나, 꼭 이에 한정할 필요는 없으며 그 외에도 농담 전지형, 반도체 타입 및 제한 전류형 타입과 같은 모든 자동차용 산소 센서에 적용이 가능하다.

또한, 자동차용 산소 센서에만 한정하지는 않으며 기본적으로 유사한 구성을 갖는 촉매 열화 감지 센서 및 낙스(NOx) 센서에도 적용할 수 있음은 물론이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 자동차용 산소 센서는, 센서 어셈블리가 조립되는 육각 홀더 및 센서 어셈블리의 하단부를 보호하기 위한 보호 튜브부를 일체로 형성한 보호 튜브 일체형 육각 홀더와, 상기 보호 튜브부에 결합 고정되어 센서 어셈블리를 이중으로 보호하는 보호 캡을 포함하여 구성함으로써 센서 소자의 보호를 위한 구성을 보다 용이한 방법으로 제조하여 제조 원가의 절감에 기여하고, 생산성 향상에 기여하며, 또한 배기 가스의 회전 현상이 확실하게 이루어지도록 함으로써 성능을 보다 향상시키는 등의 효과가 있다.

Claims (9)

1. 센서 어셈블리가 조립되는 육각 홀더 및 센서 어셈블리의 하단부를 보호하기 위한 보호 튜브부를 일체로 형성한 보호 튜브 일체형 육각 홀더와, 상기 보호 튜브부에 결합 고정되어 센서 어셈블리를 이중으로 보호하는 보호 캡을 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 자동차용 산소 센서.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 보호 캡은 상하부가 개방된 원통 형상으로, 보호 튜브부의 외부에서 소정의 간격이 유지되도록 고정되며, 외주면에 내외부를 관통하는 수개의 흡기공이 형성된 것을 특징으로 하는 자동차용 산소 센서.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 보호 튜브부는 하부가 막힌 원통 형상이며, 그 외주면에 중심을 향하여 소정의 경사각을 갖는 수개의 흡기공이 형성된 것을 특징으로 하는 자동차용 산소 센서.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 보호 튜브부의 흡기공은 예각을 이루도록 구성된 것을 특징으로 하는 자동차용 산소 센서.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 보호 캡의 흡기공 및 보호 튜브부의 흡기공은 적어도 1 이상의 단을 이루며 소정의 높이 차이를 두고 형성된 것을 특징으로 하는 자동차용 산소 센서.
6. 제 3 항에 있어서, 상기 보호 튜브부의 저부 중앙부에 상하부를 관통하는 흡기공이 더 형성된 것을 특징으로 하는 자동차용 산소 센서.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 보호 캡은 하부가 막힌 원통 형상으로, 보호 튜브부의 외부에서 소정의 간격이 유지되도록 고정되며, 외주면에 내외부를 관통하는 수개의 흡기공이 형성된 것을 특징으로 하는 자동차용 산소 센서.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 보호 튜브부는 소정의 폭 및 높이를 갖고 육각 홀더부의 하면에 일정 간격을 두고 형성되며, 상기 보호 캡의 흡기공은 보호 튜브부에 대향되는 위치에 형성된 것을 특징으로 하는 자동차용 산소 센서.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 보호 캡의 저부 중앙부에 상하부를 관통하는 흡기공이 더 형성된 것을 특징으로 하는 자동차용 산소 센서.