KR20150048446A - 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, 더욱 상세하게는 센서소자를 지지하고 보호하는 실링부재의 기공층을 최소화 하여 상기 실링부재에 습기가 수용되는 것을 최소화하는 자동차용 산소센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은, 센서 하우징에 내장된 센서소자의 외주면에 장착되고 상기 센서소자를 상기 센서 하우징 내에 고정하는 실링부재를 포함하며, 상기 실링부재는 글라스(glass)와 포스테라이트(forsterite)를 포함하는 세라믹 조성물을 압축 성형하여 형성되는 것을 특징으로 한다.

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 실링부재의 기공층을 최소화 하여 상기 실링부재에 습기가 수용되는 것을 최소화하는 자동차용 산소센서 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
통상적으로 산소센서는 배기 매니폴더에서 소정의 위치에 장착되어 배기가스에 포함된 산소의 농도를 검출하여 엔진 제어수단으로 하여금 이를 감안하여 엔진 공연비 제어에 대한 피드백을 수행할 수 있도록 한다.
이러한 산소센서는 각 부분에 대하여 한계온도를 감안하여 제조되는데, 헥사부에 대한 한계온도의 기준은 대략 650℃로 설정되고, 그라밋부에 대한 한계온도의 기준은 대략 200℃로 설정되며, 팁부에 대한 한계온도의 기분은 대략 900℃로 설정되어 제조된다.
상기 산소센서의 헥사부는 배기 매니폴더와 직접 접촉되어 있으므로 배기 매니폴더의 표면 온도와 밀접한 관련이 있고, 그라밋부는 산소센서가 장착되는 주변의 온도와 밀접한 관련이 있다.
산소센서의 경우 엔진이 정치된 상태, 즉 흡기 매니폴더가 라디에이터측에 위치하고 배기 매니폴더가 운전자측(대시패널)측에 위치한 상태에서는 문제가 발생되지 않으나, 흡기 매니폴더가 운전자측에 위치하고 배기 매니폴더가 라디에이터측에 위치하는 역전 엔진이 개발되면서 한계온도를 초과하게 됨에 따라 산소센서의 열해가 수반되는 문제가 발생하고 있다.
또한, 에미션(Emission)의 안정화를 위하여 배기가스의 한계온도를 830~850℃ 이상으로 높이고 있으나, 이에 따라 산소센서의 열해가 수반되는 문제는 해결되지 않고 있다.
흡기/배기의 역전 상태에서 열해를 입는 파트는 산소센서 이외에도 배기 매니폴더 주위에 위치하는 메인 하네스, 프라스틱 헤드 커버, 헤드 커버 가스킷 등이 더 포함된다.
산소센서 헥사부의 경우 한계온도를 초과하게 되는 경우, 산소센서 안쪽의 내구 격막이 벌어져 흡기와 배기가 혼합되어 산소센서의 출력 시그널이 없어지는 현상이 발생한다.
그리고, 그라밋부의 경우 한계온도를 초과하게 되면 산소센서의 4개 와이어의 끝단을 싸고 있는 실링 고무가 녹아 그 안으로 수분이 들어가게 도며, 이에 따라 부식이 진행되어 와이이어 쇼트가 발생하기도 한다.
이를 방지하기 위하여, 히트 프로텍터 등을 배기 매니폴드에 장착된 산소센서 주위를 둘러싸도록 설치하여 배기 매니폴드의 복사열을 차단하기도 하나, 이는 산소센서 전방위를 둘러싸는 형상이 아니어서 배기 매니폴드의 복사열을 완전하게 차단하지는 못하므로, 산소센서의 열해를 완벽하게 방지할 수 없는 문제가 있다.
또한, 히트 프로텍터로 인하여 산소센서 주위의 공기흐름이 원활하지 못하게 되어 히트 프로텍터 내부로 배기 매니폴드의 복사열이 정체되어 산소센서의 열해를 더욱 가중하기도 한다.
이와 관련한 선행기술로는 국내공개특허 제2005-0048031호(차량용 산소센서, 2005.05.24. 공개)가 있다.
본 발명은 고온 다습한 조건에서 산소센서의 실링부재에 다량의 수분이 존재할 때 발생하는 출력저하현상을 방지하기 위해 수분을 머금을 수 있는 상기 실링부재의 기공률을 저감시킴으로써 수분으로 인한 출력발생저하 현상을 방지할 수 있는 자동차용 산소센서 및 이의 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여,
본 발명은, 센서 하우징에 내장된 센서소자의 외주면에 장착되고 상기 센서소자를 상기 센서 하우징 내에 고정하는 실링부재를 포함하며, 상기 실링부재는 글라스(glass)와 포스테라이트(forsterite)를 포함하는 세라믹 조성물을 압축 성형하여 형성된다.
상기 글라스와 포스테라이트는 30:70~40:60의 중량비로 조성된다.
상기 글라스는 저융점 글라스를 이용한다.
상기 글라스는, ZnO, B2O3, SiO2, BaO, Al2O3 성분을 포함한다.
상기 포스테라이트는, SiO2, MgO 성분을 포함한다.
센서 하우징에 내장된 센서소자의 외주면에 장착되고 상기 센서소자를 상기 센서 하우징 내에 고정하는 실링부재를 포함하며, 상기 실링부재는 글라스와 포스테라이트를 포함하는 파우더 조성물에 압축을 가하여 성형한 세라믹을 상기 센서소자의 외주면에 장착하고, 상기 센서소자의 외주면에서 상기 세라믹의 양측에 위치하도록 장착되는 절연부시를 압축 성형하여 제조된다.
상기 세라믹과 절연부시를 압축 성형한 후에 500~1000℃의 온도에서 소결한다.
상기와 같은 과제의 해결 수단에 의하여,
본 발명은, 센서소자의 외주면에 장착되는 실링부재가 글라스와 포스테라이트가 혼합된 파우더 형태의 세라믹을 압축 성형하여 형성하므로 실링 효과가 극대화되어 고온 다습한 환경에 방치했을 경우 발생되는 산소센서의 특성저하(CSD) 현상이 방지되는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 고온에서 압축 성형하여 실링부재를 형성하므로 가루 발생 위험이 최소화되고 하나의 실링부재로 실링 효과가 극대화되므로 실링부재를 구성하는 부품이 최소화되어 산소센서의 조립 공정도 간편한 효과가 있다.
도 1은, 본 발명에 의한 자동차용 산소센서를 보인 단면도.
도 2는 본 발명에 의한 센서소자의 외주면에 장착된 실링부재를 보인 사시도.
도 3은, 종래의 산소센서 측정값을 도시한 그래프.
도 4는, 본 발명에 따른 실링부재가 적용된 산소센서의 측정값을 도시한 그래프.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
여기서, 반복되는 설명과 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
그리고 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
본 발명의 자동차용 산소센서(이하, '산소센서'라 칭함)(10)는, 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.
본 실시예에서 센서소자(15)는 지르코니아 소재를 막대 형상으로 성형하여 형성한다. 센서소자(15)는 일측이 배기가스와 접촉하는 접촉면(15a)을 형성하고 타측이 대기 중의 산소와 접하는 전극면(15b)을 형성한다.
접촉면 및 전극면은 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 원형의 유입구멍(19a)이 형성된다.
센서소자(15)의 전극면(15b)은 리드 와이어(21)를 통해 외부와 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 엔진제어시스템(ECU)로 전달되고 엔진제어시스템은 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.
상기 절연부시는 세라믹 소재로 이루어진다.
상기 절연부시(25)는 제1 절연부시(25a)와 제2 절연부시(25b)로 구성되며, 상기 센서소자(15)의 길이방향에 대하여 실링부재(17)의 양측에 배치되도록 센서소자(15)의 외주면에 장착된다. 제1 절연부시(25a)와 제2 절연부시(25b)는 절연체의 역할을 하며, 실링부재(17)와 함께 센서소자(15)를 센서 하우징(11) 내에 고정하는 역할을 한다.
실링부재(17)와 제1,2 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 좌우로 분리한다.
이 중 상, 제1,2 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(galss)와 포스테라이트(Forsterite)를 포함하는 파우더 형태의 세라믹을 압축 성형하여 형성한다. 압축 성형 후 소결을 실시한다.
압축 성형 후 소결된 실링부재는 글라스가 포스테라이트의 내부 빈공간을 없애고 수분을 흡수하지 않도록 하여 수분이 실링부재(17)를 통해 상부 수용공간(13a)으로 이동하는 것이 방지된다.
상기 포스테라이트는 열적 안정성이 우수하고 압축 성형 후 고무와 같은 탄성이 있다. 글라스는 포스테라이트의 빈공간을 막아 실링부재를 통한 수분 흡수를 방지한다. 실링부재(17)의 탄성은 외부 충격을 흡수하여 센서소자(15)의 유동을 최소화한다.
글라스와 포스테라이트는 30:70 ~ 40:60의 중량비로 포함된다.
실링부재(17)가 포스테라이트만으로 구성되면 압축 성형 후 고온 다습한 환경에서 상기 포스테라이트가 수분을 흡수하여 센서소자(15)의 전압 출력에 영향을 미치게 된다.
글라스와 포스테라이트의 중량비가 30:70 미만이면 글라스가 포스테라이트 내부의 빈공간을 없애는 효과를 기대하기 어렵고, 40:60 중량비를 초과하면 실링부재(17)가 너무 단단해져서 센서소자(15) 및 다른 부품에 영향을 주게 된다.
글라스는 압축 성형시 용융될 수 있는 저융점 글라스를 사용한다.
저융점 글라스는 ZnO, B2O3, SiO2, BaO, Al2O3 성분을 포함하거나, BaO-ZnO-B2O3계 글라스, ZnO-B2O3-SiO2-BaO-Al2O3계 글라스, ZnO-B2O3-SiO2-BaO-Al2O3-SiO계 글라스 중 선택된 1종일 수 있다.
예를 들어, 저융점 글라스는 총 중량에 대하여 ZnO 10 ~ 25 중량%, B2O3 15 ~ 30 중량%, SiO2 15 ~ 25 중량%, BaO 10 ~ 40 중량%, Al2O3 0 초과 10 중량% 이하를 포함한다.
상기 포스테라이트는, SiO2 및 MgO 성분을 포함한다.
상기 포스테라이트는 고토감람석이라도록 하며, 화학적 성분이 Mg2SiO4 로서 스테아타이트(steatite)나 코디어라이트(cordierite)에 대비하여 더 적은 양의 알루미나(alumina) 성분을 포함하고 있다.
여기에서 알루미나는, 세라믹 조성시 기공성을 결정하는 요소로써, 알루미나가 많이 포함될수록 기공성이 우수하게 된다.
즉, 더 작은 양의 알루미나를 포함하는 포스테라이트를 이용하면 스테아타이트 및 코디어라이트를 이용한 실링부재에 대비하여 상기 실링부재에 수분이 머무를 수 있는 기공이 감소됨으로써 습기로 인한 출력저하현상을 방지할 수 있게 된다.
압축 성형 후 가열온도는 500~1000℃이다.
글라스는 500~1000℃의 온도에서 녹아 포스테라이트의 빈공간을 막는다. 가열온도가 500℃ 미만이면 글라스 파우더가 녹지 않아 포스테라이트의 빈공간을 막기 어렵고 녹지 않은 파우더의 가루 발생 위험이 있으며 1000℃ 초과는 그 효과가 포화한다.
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 글라스와 포스테라이트가 혼합된 파우더 조성물을 압축하여 성형한 상태이다.
압축 성형한 상태의 실링부재(17)는 센서 하우징(11)의 수용공간에 내장된 긴 막대 형상의 센서소자의 외주면을 둘러싸게 장착된 다음, 센서소자(15)의 외주면에 추가로 장착되는 제1,2 절연부시(25a,25b)를 눌러 압축 성형하게 되고, 이 상태에서 소결을 실시하게 된다.
소결은 글라스가 용융될 수 있도록 500~1000℃의 온도로 가열하여 수행한다.
압축 성형 후 소결된 실링부재(17)는 소결과정에서 글라스가 용융되면서 포스테라이트의 내부 빈공간을 막아 소결밀도가 높은 실링부재(17)로 형성된다.
글라스와 포스테라이트의 중량비가 30:70 미만인 경우에는 실링부재의 기밀성이 부족하였고, 40:60 중량비를 초과하는 경우에는 탄성이 없고 너무 단단해지는 문제가 있다.
바람직한 실시예로서 본 발명에서는 글라스와 포스테라이트의 중량비를 35:65로 조성하여 실링부재를 형성하여 상기 실링부재의 충분한 기밀성과 탄성을 확보한다.
그리고, 소결온도가 500℃ 미만인 경우에는 글라스가 녹지않아 기밀성이 확보되지 않고, 소결온도가 1000℃ 초과하는 경우에는 그 효과가 포화되고 높은 온도로 인해 산소센서의 다른 부품에 영향을 미치게 되므로, 상기 실링부재 소결은 500~1000℃ 이내의 온도에서 실시한다.
상술한 방법에 의해 제조된 산소센서(10)는 센서소자(15)의 접촉면이 산소농도가 낮은 배기가스와 접촉되도록 하고, 센서소자(15)의 전극면이 산소 농도가 높은 대기의 공기와 접촉되도록 하여 대기 중의 산소농도와 배기가스 중의 산소농도 차이에 의해 전압차를 발생시킨다.
이 과정에서 배기가스가 유입되는 하부 수용공간(13b)과 대기가 유입되는 상부 수용공간(13a)이 분리되고 실링부재(17)에 의한 실링 효과가 확보되므로 배기가스가 기준공기(상부 수용공간에 유입된 대기의 공기)를 오염시키는 것이 방지된다.
따라서 고온다습한 조건에서 산소센서를 방지했을 경우 발생하는 출력저하(CSD) 현상을 방지할 수 있다.
도 3은, 종래의 산소센서 측정값을 도시한 그래프이고, 도 4는, 본 발명에 따른 실링부재가 적용된 산소센서의 측정값을 도시한 그래프이다.
도 3 및 도 4는, 85℃의 온도에서 85%의 고온 다습한 환경을 조성하여 해당 환경에서 30일간 스테아타이트로 형성된 실링부재가 적용된 산소센서와, 본 발명에 따른 포스테라이트로 형성된 실링부재가 적용된 산소센서에서 출력되는 측정값을 측정한 것이다.
도 3 및 도 4에서 확인되는 바와 같이, 다량의 배기가스 조건에서 히터에 전압을 인가하여 출력테스트 했을 경우 배기가스가 일정하기 때문에 초기의 오버슛(overshoot) 현상을 제외하고는 종래의 실링부재가 적용된 경우에는 시간이 흐름에 따라 출력값이 저하되어 출력저하현상(CSD)로 판단되는 기준이 되는 600mV 이하로 측정값이 떨어졌고, 본 발명에 따른 실링부재가 적용된 경우에는 지속적으로 600mV 이상의 측정값을 나타내고 있어 본 발명에 따른 포스테라이트를 포함하는 조성물로 형성된 실링부재를 이용하는 경우 실링부재에 존재하는 습기로 인한 출력저하현상을 방지할 수 있음을 확인할 수 있다.
이상 본 발명의 특정 실시예를 도시하고 설명하였으나, 본 발명의 기술사상은 첨부된 도면과 상기한 설명내용에 한정하지 않으며 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 변형이 가능함은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 사실이며, 이러한 형태의 변형은 본 발명의 정신에 위배되지 않는 범위 내에서 본 발명의 특허청구범위에 속한다고 볼 것이다.
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:제1,2 절연부시

Claims (7)

  1. 센서 하우징에 내장된 센서소자의 외주면에 장착되고 상기 센서소자를 상기 센서 하우징 내에 고정하는 실링부재를 포함하며,
    상기 실링부재는 글라스(glass)와 포스테라이트(forsterite)를 포함하는 세라믹 조성물을 압축 성형하여 형성되는 것을 특징으로 하는 자동차용 산소센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 글라스와 포스테라이트는 30:70~40:60의 중량비로 조성되는 것을 특징으로 하는 자동차용 산소센서.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 글라스는 저융점 글라스인 것을 특징으로 하는 자동차용 산소센서.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 글라스는,
    ZnO, B2O3, SiO2, BaO, Al2O3 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 산소센서.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 포스테라이트는,
    SiO2, MgO 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 산소센서.
  6. 센서 하우징에 내장된 센서소자의 외주면에 장착되고 상기 센서소자를 상기 센서 하우징 내에 고정하는 실링부재를 포함하며,
    상기 실링부재는 글라스와 포스테라이트를 포함하는 파우더 조성물에 압축을 가하여 성형한 세라믹을 상기 센서소자의 외주면에 장착하고, 상기 센서소자의 외주면에서 상기 세라믹의 양측에 위치하도록 장착되는 절연부시를 압축 성형한 것을 특징으로 하는 자동차용 산소센서의 제조방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 세라믹과 절연부시를 압축 성형한 후에 500~1000℃의 온도에서 소결하는 것을 특징으로 하는 자동차용 산소센서의 제조방법.
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