KR20210083564A - 산소센서의 감지소자 - Google Patents

산소센서의 감지소자 Download PDF

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KR20210083564A
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김정택
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김경현
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Abstract

본 발명은 산소센서의 감지소자에 관한 것으로, 가스감지부의 단부 폭보다 터미널접속부의 단부 폭이 넓게 형성되어 감지전극의 접속단과 터미널의 접촉면적을 충분히 확보할 수 있고, 감지소자의 크기가 감소됨으로써 소재 사용량이 감소되어 제조 원가가 절감되는 효과가 있다. 또한 터미널접속부의 상면과 하면에서 감지전극의 접속단들과 히터의 접속단들이 동일 선상에 배치되어 터미널 접속 위치가 동일해짐으로써 감지소자의 내구성이 향상된다.

Description

산소센서의 감지소자{SENSING ELEMENT OF OXYGEN SENSOR}
본 발명은 자동차 엔진의 산소센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 산소센서에서 실제로 배기가스에 접촉하여 산소를 감지하는 감지소자에 관한 것이다.
산소센서는 엔진의 배기통로에 설치되어 배기가스에 포함된 산소의 양을 측정하는 센서이다. 측정값은 엔진제어유니트(ECU)로 전달되어 엔진제어유니트가 공연비를 이론 공연비로 제어하는데 사용되며, 이에 따라 삼원촉매장치의 배기가스 정화율이 향상된다.
산소센서의 산소 감지는 감지소자에 의해 이루어진다. 감지소자는 고체 전해질로 이루어진 평판형 바디에 복수의 감지전극이 구비된 것이다. 감지소자는 센서의 외부 몸체를 이루는 하우징 및 보호튜브에 의해 보호되며 일단의 가스감지부가 배기가스와 접촉하도록 설치되고, 타단의 터미널접속부가 전기 신호 인출용 와이어에 연결된 터미널에 접속되는 구조로 이루어져 있다.
감지전극은 3개가 구비되며, 적정 작동 온도로 신속하게 승온시키기 위하여 히터가 구비된다. 도 1과 같이 감지전극(2)의 각 터미널 접속단(2a,2b,2c)은 바디(1)의 상면으로 노출되고, 히터(3)의 +접속단(3a)과 -접속단(3b)은 바디(1)의 하면으로 노출된다.
도 2와 같이, 바디(1)의 폭 즉, 감지소자의 폭을 감소시키기 위해 상기 감지전극(2)의 세 접속단(2a,2b,2c)중 2개는 동일 선상에 배치하고(B선 위치) 나머지 하나는 바디(1)의 길이 방향으로 오프셋시켜 배치(A선 위치)되어 있다.
그러나 이 경우 상면측 접속단과 하면측 접속단에 접속되는 터미널들의 위치가 상이하여 감지소자의 내구 성능이 취약해지는 문제점이 있다.
따라서 도 1과 같이 상면측 감지전극(2)의 접속단(2a,2b,2c)을 모두 동일선상에 배치(오프셋 없음)하였는데, 이 경우 바디(1)의 폭이 증가하여 감지소자의 크기가 증가되는 문제점이 있었다. 가스감지부측 단부와 터미널접속부측 단부의 폭이 같은 직사각형 형상이므로 일측 단부의 바디(1) 폭 증가는 바디(1)의 크기를 전체적으로 증가시키게 되며, 이는 바디(1)를 구성하는 고체 전해질 재료의 사용량을 크게 증가시킴으로써 원가 상승의 요인이 된다.
대한민국 등록특허공보 제10-1525684호(2015.05.28. 등록)
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 감지전극의 터미널 접속 면적을 충분히 확보하면서 감지전극의 접속단과 히터의 접속단들의 위치 차이에 따른 내구성 저하 문제가 발생하지 않으며, 바디의 크기가 감소되어 고체 전해질 재료의 사용량이 감소됨으로써 제조 원가가 절감될 수 있도록 된 산소센서의 감지소자를 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 다수 층으로 적층되어 바디를 구성하는 고체 전해질 시트와, 상기 고체 전해질 시트 사이에 형성된 복수의 감지전극과, 상기 감지전극의 하부에 형성된 히터를 포함하고, 상기 감지전극의 접속단들은 바디의 일측 단부인 터미널접속부의 상면으로 노출되고 히터의 접속단들은 상기 터미널접속부의 하면으로 노출되며, 상기 터미널접속부의 단부 폭은 상기 바디의 반대쪽 단부인 가스감지부의 폭보다 넓게 형성된다.
상기 터미널접속부의 단부와 가스감지부의 단부를 연결하는 양측면이 경사면으로 형성될 수 있다.
상기 터미널접속부의 가스감지부쪽 단부에 바디의 폭이 감소되는 단차부가 형성될 수 있다.
상기 터미널접속부에서 감지전극의 접속단들은 바디의 폭방향으로 동일 선상에 배치된다.
상기 터미널접속부에서 감지전극의 접속단들과 히터의 접속단들은 바디의 두께 방향으로 동일 선상에 배치된다.
상기 바디가 산소센서의 하우징 내부에 설치된 소자고정부품들의 관통홀에 삽입 고정될 때, 바디의 폭이 소자고정부품의 하나인 상부절연부시의 관통홀 입구 직경과 동일한 위치까지 삽입된다.
상기 바디가 산소센서의 하우징 내부에 설치된 소자고정부품들의 관통홀에 삽입 고정될 때, 상기 바디의 단차부가 소자고정부품의 하나인 상부절연부시의 관통홀 입구 측면에 접촉하는 위치까지 삽입된다.
이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따르면, 감지전극의 접속단들이 모두 히터의 접속단들과 동일 선상에 배치되어 감지소자의 상면과 하면에서 터미널의 접속 위치가 동일하므로 감지소자의 내구성이 향상된다.
감지소자의 바디가 가스감지부 쪽은 폭이 작고 터미널접속부 쪽은 폭이 큰 형상으로 이루어짐으로써 충분한 터미널 접속 면적을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 바디의 크기도 감소되는 효과가 있다.
바디의 크기가 감소됨으로써 바디를 이루는 고체 전해질 재료의 사용량이 감소되어 감지소자의 제조 원가가 절감되는 효과가 있다.
또한 바디의 측면이 경사면으로 형성되거나 또는 단차부가 형성되어 소자고정부품에 삽입될 때 삽입 위치가 일정함으로써 보호튜브 내에서 가스감지부의 위치를 설계안대로 정확히 위치시킬 수 있으므로 보다 정확한 산소량 측정이 가능하다.
도 1은 종래 기술에 따른 감지소자의 평면도로서 감지전극의 접속단 배치도.
도 2의 (a)는 종래 기술에 따른 감지소자의 평면도로서 감지전극 접속단 배치의 다른 실시예, (b)는 감지소자의 저면도로서 히터의 접속단 배치도.
도 3은 본 발명에 따른 감지소자가 적용된 산소센서의 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 감지소자의 정단면도.
도 5는 본 발명의 제1실시예로서 (a)는 감지소자의 평면도. (b)는 (a)의 저면도.
도 6은 본 발명의 제2실시예로서 (a)는 감지소자의 평면도. (b)는 (a)의 저면도.
도 7은 상기 제1실시예에 따른 감지소자의 설치 상태 개략도.
도 8은 상기 제2실시예에 따른 감지소자의 설치 상태 개략도.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의를 위해 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 감지소자를 포함하는 산소센서의 단면도이다. 산소센서는 하우징(10)과 슬리브(20)로 이루어진 대략 원통형 몸체의 내부에 감지소자(40)가 소자고정부품들에 의해 설치된 구조로 이루어진다.
감지소자(40)의 상단은 컨택부시(30)에 삽입된 상태에서 마찬가지로 컨택부시(30)에 삽입된 터미널(80)과 접속된다. 터미널(80)에 연결된 전선은 그로멧(90)을 통해 외부로 연장된다. 그로멧(90)은 외부로부터의 공기 유입은 허용하고 수분 및 이물질의 유입은 차단하는 역할을 한다.
감지소자(40)의 하단은 가스감지부로서 보호튜브(100)에 의해 감싸여져 배기가스의 열 충격으로부터 보호되며, 보호튜브(100)에 형성된 유입홀(100a)을 통해 배기가스가 유입되어 가스감지부에 작용하게 된다.
감지소자(40)의 중간 부분은 상기 소자고정부품들을 관통하는데, 소자고정부품은 도면상 상부로부터 하방으로 순차적으로 상부절연부시(50), 파우더실(Powder seal) (60), 하부절연부시(70)를 이르는 것이다. 이들은 세라믹 재질로 제조되며 하우징(10)의 내부에 감지소자(40)가 설치된 상태를 안정적으로 유지하고 감지소자(40)와 하우징(10)의 사이를 전기적으로 절연하는 역할을 한다. 특히 중간의 파우더실(60)은 산소센서 내부의 하측 공간과 상측 공간의 사이를 차단하여 배기가스가 상측 공간으로 유입되지 않고 하측의 가스감지부에만 작용하도록 한다.
상기 상부절연부시(50)와 하부절연부시(70)는 파우더실(60)이 하우징(10)에 압입된 후 그 상부와 하부에 각각 압입된다. 하우징(10)에 크림핑(Crimping)이 실시되어 상기 절연부시(50,70)들의 위치가 고정될 뿐만 아니라 파우더실(60)의 위치도 고정된다.
상기 감지소자(40)는 평판형 타입으로서, 도 4와 같이, 기본적으로는 YSZ(Yttria-stabilized zirconia; 이트리아 안정화 지르코니아)시트(sheet)(41)가 적층되어 구성되며, YSZ시트(41)의 사이에 전도성 페이스트가 인쇄되어 감지전극(42; 42a,42b,42c) 및 히터(43)가 형성되고, 절연성 페이스트가 인쇄되어 절연층(44)이 형성된다.
상기 전도성 페이스트로는 백금(Pt) 페이스트를 사용할 수 있고, 절연성 페이스트로는 알루미나 페이스트를 사용할 수 있다.
상기 감지전극(42) 중 도면 부호 42a는 외부펌핑전극이고, 42b는 내부펌핑전극이며, 42c는 네른스트전극이다.
감지소자(40)의 일측 단부인 가스감지부의 표면에는 외부 요인에 의한 가스감지부 표면의 크랙 및 오염 발생을 방지하기 위해 전극보호층(45)이 코팅되어 있다.
상기 감지전극(42)의 접속단(42a', 42b',42c')들은 감지소자(40)의 상면으로 노출되고, 히터(43)의 +, - 접속단(43a,43b)들은 감지소자(40)의 하면으로 노출된다.
본 발명에 따른 감지소자(40)는, 도 5의 (a)와 같이, 터미널 접속부에서 감지전극(42)들의 접속단(42a', 42b',42c')들이 감지소자(40) 바디의 폭 방향으로 동일 선상에 위치한 것을 특징으로 한다. 즉 상기 접속단(42a', 42b',42c')들 사이에 감지소자(40) 바디의 길이 방향으로의 오프셋은 존재하지 않는다. 단, 감지소자(40) 바디의 양단부는 터미널접속부의 폭(b)보다 가스감지부의 폭(a)이 작게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한 도시된 바와 같이 감지전극(42)의 접속단(42a', 42b',42c')들은 감지소자 바디의 폭 방향으로 배치되면서도 충분한 접촉 면적을 확보한다. 즉 터미널접속부측 단부의 폭(b)은 감지전극(42)의 접속단(42a', 42b',42c')들이 터미널과의 충분한 접촉면적을 확보할 수 있는 폭으로 형성되고, 그러한 터미널접속부의 폭(b)이 경사면(40a)에 의해 점진적으로 감소되어 가스감지부의 폭(a)을 형성하는 것이다.
도 5의 (b)와 같이 감지소자(40) 바디의 하면에는 히터(43)의 두 접속단(43a,43b)이 노출된다. 이들 히터(43)의 접속단(43a,43b)들은 감지소자 바디의 폭 방향으로 동일 선상에 위치될 뿐만 아니라 감지소자 바디의 두께 방향으로는 상기 감지전극(42)의 접속단(42a', 42b',42c')들과 동일 선상에 위치된다.
따라서 감지소자(40)의 상면과 하면에서 감지전극의 접속단들과 히터의 접속단들에 접속되는 터미널들이 동일 선상에 위치되기 때문에, 터미널에 의해 감지소자의 상면과 하면에 가해지는 힘의 밸런스가 향상되며, 따라서 감지소자(40)의 내구성이 향상된다.
또한 감지소자(40)의 바디가 터미널접속부의 단부에서 가스감지부의 단부로 갈수록 그 폭이 점차 감소하는 형상으로 형성되기 때문에 종래의 경우-가스감지부의 폭(a)과 터미널접속부의 폭(b)이 동일한 경우-에 비하여 감지소자의 바디를 이루는 소재 사용량이 감소된다. 즉, 감지소자의 바디를 구성하는 YSZ시트의 크기(면적)가 감소되고, 그 사이의 절연층 면적도 감소될 수 있다. 따라서 YSZ 및 절연 페이스트의 사용량이 감소되어 감지소자의 제조 원가가 감소될 수 있다.
도 6은 상기 감지소자(40)의 제2실시예로서, 터미널접속부의 가스감지부쪽 단부에 바디의 폭이 감소하는 단차부(40b)가 형성된 것에 특징이 있다.
제2실시예의 경우에도 가스감지부의 폭(a)에 비해 터미널접속부의 폭(b)이 크기 때문에 접속단과 터미널의 접촉 면적을 충분하게 확보할 수 있다.
또한 터미널접속부의 폭(b)에 비해 가스감지부의 폭(a)이 작게 형성되어 바디가 단순 직사각형 형상으로 형성된 종래의 경우에 비하여 바디의 크기가 감소된다. 따라서 제1실시예와 마찬가지로 YSZ 및 절연 페이스트의 사용량이 감소되어 감지소자(40)의 제조 원가가 감소되는 효과가 있다.
그 외 터미널접속부에서 상면으로 노출된 감지전극(42)의 접속단(42a', 42b',42c')들과 하면으로 노출된 히터(43)의 접속단(43a,43b)들이 바디의 폭 방향 및 두께 방향에서 동일 선상에 위치되어 바디 상하면에서 터미널의 접촉 위치가 일치하므로 감지소자(40)의 내구성이 향상되는 효과가 동일하게 발생한다.
한편, 도 7, 도 8과 같이, 상기 제1 및 제2 실시예 모두에서 감지소자(40)의 설치 위치가 설계된 대로 정확하게 설치될 수 있는 효과가 있다.
배기가스의 산소 농도를 측정하는 산소센서의 특성상 배기가스가 유입되는 보호튜브(100) 내측에서 가스감지부의 위치는 매우 중요하다. 즉, 가스감지부가 설계 위치대로 항상 정확한 위치에 있어야 산소량을 정확하게 측정할 수 있게 되는데, 이를 위해서는 감지소자(40) 자체가 정확한 위치에 설치되어야 한다.
그런데 본 발명의 제1실시예와 같이 감지소자(40)의 측면이 경사면(40a)으로 형성되거나 또는 제2실시예와 같이 감지소자(40)의 측면에 단차부(40b)가 형성된 경우에는 도 7,8과 같이 감지소자(40)가 소자고정부품(50,60,70)의 사이로 삽입될 때 감지소자(40)는 항상 일정 깊이로 삽입될 수 있다.
즉, 제1실시예의 경우에는 감지소자의 바디 폭이 상부절연부시(50)의 관통홀 입구 직경과 동일한 위치까지 삽입되고, 제2실시예의 경우에는 단차부(40b)가 상부절연부시(50)의 관통홀 입구 측면에 접촉하는 위치까지 삽입된다. 이와 같이 상부절연부시(50)쪽에서 삽입되는 감지소자(40)의 삽입량이 항상 일정하므로 하부절연부시(70)쪽에서의 감지소자(40) 돌출량도 항상 일정하며, 이에 보호튜브(100)내에서의 가스감지부를 정확히 위치시키는 것이 가능해짐으로써 산소센서의 측정 정확성이 향상되는 효과가 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10 : 하우징 20 : 슬리브
30 : 컨택부시 40 : 감지소자
41 : YSZ시트 42 : 감지전극
42a : 외부펌핑전극 42b : 내부펌핑전극
42c : 네른스트전극 42a',42b',42c': 접속단
43 : 히터 43a, 43b : 접속단
50 : 상부절연부시 60 : 파우더실
70 : 하부절연부시 80 : 터미널
90 : 그로멧 100 : 보호튜브
100a : 유입홀

Claims (7)

  1. 다수 층으로 적층되어 바디를 구성하는 YSZ시트와;
    상기 YSZ시트 사이에 형성된 복수의 감지전극과;
    상기 감지전극의 하부에 형성된 히터;를 포함하고,
    상기 감지전극의 접속단들은 바디의 일측 단부인 터미널접속부의 상면으로 노출되고, 히터의 접속단들은 상기 터미널접속부의 하면으로 노출되며,
    상기 터미널접속부의 단부 폭은 상기 바디의 반대쪽 단부인 가스감지부의 단부 폭보다 넓게 형성된 것을 특징으로 하는 산소센서의 감지소자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 터미널접속부의 단부와 가스감지부의 단부를 연결하는 양측면이 경사면으로 형성된 것을 특징으로 하는 산소센서의 감지소자.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 터미널접속부의 가스감지부쪽 단부에 바디의 폭이 감소되는 단차부가 형성된 것을 특징으로 하는 산소센서의 감지소자.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 터미널접속부에서 감지전극의 접속단들은 바디의 폭방향으로 동일 선상에 배치된 것을 특징으로 하는 산소센서의 감지소자.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 터미널접속부에서 감지전극의 접속단들과 히터의 접속단들은 바디의 두께 방향으로 동일 선상에 배치된 것을 특징으로 하는 산소센서의 감지소자.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 바디가 산소센서의 하우징 내부에 설치된 소자고정부품들의 관통홀에 삽입 고정될 때, 상기 바디는 자신의 폭이 소자고정부품의 하나인 상부절연부시의 관통홀 입구 직경과 동일한 위치까지 삽입되는 것을 특징으로 하는 산소센서의 감지소자.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 바디가 산소센서의 하우징 내부에 설치된 소자고정부품들의 관통홀에 삽입 고정될 때, 상기 바디의 단차부가 소자고정부품의 하나인 상부절연부시의 관통홀 입구 측면에 접촉하는 위치까지 삽입되는 것을 특징으로 하는 산소센서의 감지소자.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101525684B1 (ko) 2013-10-28 2015-06-03 주식회사 현대케피코 산소센서 터미널

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KR101525684B1 (ko) 2013-10-28 2015-06-03 주식회사 현대케피코 산소센서 터미널

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