DE102018100666A1

DE102018100666A1 - Gassensor

Info

Publication number: DE102018100666A1
Application number: DE102018100666.7A
Authority: DE
Inventors: Daisuke TAHIRA; Shingo Ito
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2017-01-27
Filing date: 2018-01-12
Publication date: 2018-08-02
Also published as: US20180217088A1; JP6772082B2; US10732142B2; JP2018119901A

Abstract

Ein Gassensor (100) weist ein Sensorelement (120), ein Metallgehäuse (110), ein Pulverfüllelement (133), einen ersten keramischen Halter (135), der mit dem hinteren Ende des Pulverfüllelements (133) in Kontakt steht und von dem das Sensorelement (120) vorsteht, und einen zweiten keramischen Halter (131), der mit dem vorderen Ende des Pulverfüllelements (133) in Kontakt steht und von dem das Sensorelement (120) vorsteht, auf. Das Pulverfüllelement (133) weist einen höheren Wärmedehnungskoeffizienten als der erste keramische Halter (135) und der zweite keramische Halter (131) auf. Der erste keramische Halter (135), das Pulverfüllelement (133) und der zweite keramische Halter (131) werden durch ein Kraftausübungsmittel (118) gepresst. Das Kraftausübungsmittel (118) beinhaltet einen hinteren Endabschnitt des Metallgehäuses (110), der einwärts gebogen ist, um eine Presskraft auf eine nach hinten gewandte Oberfläche des ersten keramischen Halters auszuüben. Es wird ein Verhältnis von 0,40 < (L - M)/L < 0,58 erfüllt, wobei L der axiale Abstand zwischen der nach hinten gewandten Oberfläche des ersten keramischen Halters (135) und dem vorderen Ende des zweiten keramischen Halters (131) ist, und M die axiale Länge des Pulverfüllelements (133) ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor, der vorzugsweise verwendet wird, um die Konzentration eines bestimmten Gases, das in dem Verbrennungsgas oder Abgas von, zum Beispiel, einer Brennkammer oder einem Verbrennungsmotor enthalten ist, zu erfassen.
Allgemeiner Stand der Technik
Ein Gassensor zur Erfassung der Konzentration einer bestimmten Komponente (zum Beispiel Sauerstoff) im Abgas eines Verbrennungsmotors ist gebräuchlich (siehe das Patentdokument 1). Dieser Gassensor enthält ein sich axial erstreckendes Sensorelement, und das Sensorelement wird in einem Metallgehäuse gehalten. Ein keramischer Halter, Talkpulver und eine keramische Hülse sind in dieser Reihenfolge von einer Vorderendseite her zwischen dem Sensorelement und dem Metallgehäuse angeordnet. Ein an dem hinteren Ende des Metallgehäuses gebildeter Crimpabschnitt ist nach vorne zu einem hinteren Endabschnitt der keramischen Hülse gecrimpt. Dadurch wird das Talkpulver komprimiert und der Spalt zwischen dem Sensorelement und dem Metallgehäuse abgedichtet.
Dokumente des Stands der Technik
Patentdokument
Patentdokument 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift (kokai) Nr. 2002-71626 (Absätze 0054 und 0066)
Kurzdarstellung der Erfindung
Probleme, die die Erfindung lösen soll
Wie in 3 gezeigt, dehnt sich das Metallgehäuse thermisch aus und nimmt die Presskraft, die als Ergebnis des Crimpens erzeugt wurde, ab, wenn ein Gassensor zum Beispiel durch Abgas auf eine hohe Temperatur erhitzt wird. In diesem Fall wird der Grad der Komprimierung des Talkpulvers unzureichend, wodurch sich die Abdichtungsfähigkeit verschlechtert.
Eine mögliche Maßnahme gegen dieses Problem ist, die Crimpkraft zu erhöhen, um dadurch die auf das Talkpulver wirkende Presskraft zu erhöhen. Doch wenn die Größe des Sensorelements verringert wird, nimmt seine Druckbeständigkeit ab. In diesem Fall kann bei einer Erhöhung der Crimpkraft die Presskraft wie in 3 gezeigt die Druckbeständigkeit des Sensorelements übersteigen, was einen Bruch des Sensorelements verursacht.
Das Patentdokument 1 schlägt vor, den keramischen Halter und die keramische Hülse durch Metallelemente, die zum Beispiel aus Edelstahl mit dem gleichen Wärmedehnungskoeffizienten wie jenem des Metallgehäuses gebildet sind, zu ersetzen. In diesem Fall dehnen sich die Metallelemente ähnlich wie das Metallgehäuse aus, wodurch die als Ergebnis des Crimpens erzeugte Presskraft beibehalten wird. Dies lässt sich jedoch nicht leicht realisieren, da das Ersetzen des keramischen Halters und der keramischen Hülse durch die Metallelemente einen Kostenanstieg verursacht.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gassensor bereitzustellen, bei dem ein Bruch des Sensorelements verhindert wird und eine Verschlechterung der Abdichtungsfähigkeit bei einer hohen Temperatur verhindert wird.
Mittel zur Lösung der Probleme
Zur Lösung des oben beschriebenen Problems stellt die vorliegende Erfindung nach einer Ausführungsform einen Gassensor bereit, der folgendes aufweist: ein Sensorelement, das sich in der Richtung einer axialen Linie erstreckt und einen an seinem vorderen Ende angeordneten Erfassungsabschnitt aufweist; ein röhrenförmiges Metallgehäuse, das in seinem Inneren das Sensorelement hält; ein Pulverfüllelement, das aus einem anorganischen Material gebildet ist und einen Spalt zwischen dem Sensorelement 120 und dem Metallgehäuse abdichtet; einen röhrenförmigen ersten keramischen Halter, der mit einem hinteren Ende des Pulverfüllelements in Kontakt steht und zwischen dem Sensorelement und dem Metallgehäuse angeordnet ist, wobei das Sensorelement von dem ersten keramischen Halter nach hinten vorsteht; und einen röhrenförmigen zweiten keramischen Halter, der mit einem vorderen Ende des Pulverfüllelements in Kontakt steht und zwischen dem Sensorelement und dem Metallgehäuse angeordnet ist, wobei das Sensorelement von dem zweiten keramischen Halter nach vorne vorsteht. Das Pulverfüllelement weist einen höheren Wärmedehnungskoeffizienten als der erste keramische Halter und der zweite keramische Halter auf. Der erste keramische Halter, das Pulverfüllelement und der zweite keramische Halter sind fixiert, während sie durch ein Kraftausübungsmittel von einer Rückendseite des Metallgehäuses zu einer Vorderendseite des Metallgehäuses gepresst werden. Das Kraftausübungsmittel umfasst einen hinteren Endabschnitt des Metallgehäuses, der einwärts gebogen ist, um eine Presskraft direkt oder indirekt auf eine nach hinten gewandte Oberfläche des ersten keramischen Halters auszuüben. Es wird ein Verhältnis von 0,40 < (L - M)/L < 0,58 erfüllt, wobei L ein Abstand in der Richtung der axialen Linie zwischen der nach hinten gewandten Oberfläche des ersten keramischen Halters und einem vorderen Ende des zweiten keramischen Halters ist, und M eine Länge des Pulverfüllelements in der Richtung der axialen Linie ist.
Bei dem Gassensor nach dieser Ausführungsform kann das Verhältnis der effektiven axialen Länge (L - M) des ersten keramischen Halters und des zweiten keramischen Halters, die jeweils einen niedrigeren Wärmedehnungskoeffizienten als das Pulverfüllelement aufweisen, zu der gesamten Presslänge L passend festgelegt werden. Dies verringert die Rate der Abnahme der Presskraft, wenn der Gassensor auf eine hohe Temperatur erhitzt wird. Es ist daher nicht nötig, die auf das Pulverfüllelement wirkende Presskraft zu erhöhen, und es ist möglich, eine Verschlechterung der Abdichtungsfähigkeit bei einer hohen Temperatur zu verhindern, während ein Bruch des Sensorelements verhindert wird.
Bei dem Gassensor nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein hinteres Ende des ersten keramischen Halters mit einem hinteren Ende des Kraftausübungsmittels bündig sein oder sich vor dem hinteren Ende des Kraftausübungsmittels befinden.
Bei dem Gassensor dieser Ausführungsform ist eine Haltelänge, über die das Sensorelement durch den ersten keramischen Halter gehalten wird, nicht übermäßig groß. Daher ist ein Bruch des Sensorelements selbst dann unwahrscheinlich, wenn die Mittelachse des Sensorelements während des Zusammenbaus von der Mittelachse des ersten keramischen Halters abweicht.
Bei dem Gassensor nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Länge des zweiten keramischen Halters in der Richtung der axialen Linie größer als die Länge des ersten keramischen Halters in der Richtung der axialen Linie sein.
Bei dem Gassensor dieser Ausführungsform ist es selbst dann, wenn zum Beispiel Abgas mit einer hohen Temperatur von der Vorderendseite des Gassensors übertragen wird, weniger wahrscheinlich, dass Wärme zu dem Pulverfüllelement übertragen wird, da die axiale Länge des zweiten keramischen Halters, der sich vor dem Pulverfüllelement befindet, länger ist. Daher kann die Verschlechterung der Abdichtungsfähigkeit aufgrund einer Wärmeschädigung des Pulverfüllelements noch weiter verhindert werden.
Wirkungen der Erfindung
Nach der vorliegenden Erfindung kann ein Gassensor erhalten werden, bei dem eine Verschlechterung der Abdichtungsfähigkeit bei einer hohen Temperatur verhindert wird, während ein Bruch des Sensorelements verhindert wird.
Figurenliste

1 ist eine Schnittansicht eines Gassensors (eines Sauerstoffsensors) nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei der Querschnitt entlang der Axialrichtung des Gassensors vorgenommen wurde.
2 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht von 1
3 ist eine Darstellung, die die Beziehung zwischen der Temperatur des Gassensors und der auf das Talkpulver wirkenden Presskraft zeigt.
4 ist eine Darstellung, die eine Abwandlung eines ersten keramischen Halters zeigt.
5 ist eine Darstellung, die eine Abwandlung des Kraftausübungsmittels zeigt.

Varianten zur Ausführung der Erfindung
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden als nächstes Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
1 ist eine Schnittansicht eines Gassensors (eines Sauerstoffsensors) 100 einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Querschnitt wurde in der Richtung einer axialen Linie O des Sauerstoffsensors 100 vorgenommen. In 1 ist die untere Seite eine axiale Vorderendseite (nachstehend einfach als Vorderendseite bezeichnet) und die obere Seite eine axiale Rückendseite (nachstehend einfach als Rückendseite bezeichnet).
Der Sauerstoffsensor 100 ist einem nicht dargestellten Abgassystem eines Kraftfahrzeugs angebracht, und ein Erfassungsabschnitt 121 eines im Inneren des Sauerstoffsensors 100 gehaltenen Sensorelements 120) ist dem Abgas (dem zu erfassenden Gas) ausgesetzt, um die Konzentration des Sauerstoffs (einer bestimmten Gaskomponente) in dem Abgas zu messen.
Wie in 1 gezeigt weist der Sauerstoffsensor 100 ein röhrenförmiges Metallgehäuse 110, das sich in der Axialrichtung (der Richtung entlang der axialen Linie O, der senkrechten Richtung in 1) erstreckt; das im Inneren des Metallgehäuses 110 gehaltene plattenförmige Sensorelement 120; einen zweiten keramischen Halter 131, ein Pulverfüllelement (Talkpulver) 133 und einen ersten keramischen Halter 135, die zwischen dem Sensorelement 120 und dem Metallgehäuse 110 angeordnet sind; ein Außenrohr 151, das an dem hinteren Ende des Metallgehäuses 110 fixiert ist; und eine doppelwandige Schutzeinrichtung 160, die an dem vorderen Ende des Metallgehäuses 110 angebracht ist; usw. auf.
Das Sensorelement 120 weist eine sich axial erstreckende Plattenform (Streifenform) auf, und sein vorderer Endabschnitt dient als Erfassungsabschnitt 121, der eine Sauerstoffgaskomponente in dem Abgas erfasst. Das Sensorelement 120 weist einen plattenförmigen Gasdetektor mit einem wohlbekannten Aufbau, der die Konzentration von Sauerstoff erfasst; und einen plattenförmigen Heizer (nicht gezeigt) zum Erwärmen des Gasdetektors, um ihn rasch zu aktivieren, auf. Der Gasdetektor und der Heizer sind miteinander verbunden, um sie zu vereinigen. Der Gasdetektor weist einen sauerstoffionenleitenden Festelektrolytkörper, der hauptsächlich aus Zirconiumoxid gebildet ist, und ein Paar von Elektroden (eine Erfassungselektrode und eine Referenzelektrode), die hauptsächlich aus Platin gebildet sind, auf, und das Paar von Elektroden ist in dem Erfassungsabschnitt 121 angeordnet.
Überdies ist eine Schutzschicht 125 so angeordnet, dass sie die äußere Oberfläche des Erfassungsabschnitts 121 bedeckt, um die Erfassungselektrode vor einer Vergiftung durch, zum Beispiel, in dem Messgas enthaltendes Öl zu schützen. Auf oder an einem hinteren Endabschnitt 129 des Sensorelements 120 sind fünf Elektrodenanschlussflächen 128 (in 1 sind drei davon gezeigt) gebildet, die als Elektroden des Gasdetektors und des Heizers dienen,
In einem Raum hinter der Schutzschicht 125 des Sensorelements 120 sind der aus Aluminiumoxid gebildete zweite keramische Halter 131, das Talkpulver 133 und der erste keramische Halter 135 in dieser Reihenfolge von der Vorderendseite her angeordnet, und das Sensorelement 120 verläuft durch diese Elemente hindurch. Das Talkpulver ist zerkleinert und füllt jeden Winkel des Spalts zwischen dem Sensorelement 120 und dem Metallgehäuse 110, und der Umfang des Sensorelements 120 ist davon umgeben und wird durch das röhrenförmige Metallgehäuse 110 gehalten.
Das Metallgehäuse 110 ist aus SUS430 gebildet und wird verwendet, um den Sauerstoffsensor 100 zum Beispiel an einem Auspuffrohr eines Kraftfahrzeugs zu fixieren. Auf oder an einem vorderen Endabschnitt des Außenumfangs des Metallgehäuses 110 ist ein Außengewindeabschnitt 111 zur Anbringung an dem Abgassystem gebildet. Die Schutzeinrichtung 160 ist an einem Abschnitt des Metallgehäuses 110 fixiert, wobei sich dieser Abschnitt vor dem Außengewindeabschnitt 111 befindet.
In einem mittleren Abschnitt des Metallgehäuses 110 ist ein Werkzeugeingreifabschnitt 117 zum Eingriff mit einem Anbringungswerkzeug gebildet. Auf einen Abschnitt des Metallgehäuses 110 ist eine Dichtung gesetzt, wobei sich dieser Abschnitt zwischen dem Werkzeugeingreifabschnitt 117 und dem Außengewindeabschnitt 111 befindet. Das Außenrohr 151 ist an einem Abschnitt des Metallgehäuses 110 fixiert, wobei sich dieser Abschnitt hinter dem Werkzeugeingreifabschnitt 117 befindet, und das Kraftausübungsmittel (der Crimpabschnitt) 118, das so gecrimpt ist, dass das Sensorelement 120 in dem Metallgehäuse 110 gehalten wird, ist hinter dem Abschnitt, an dem das Außenrohr 151 fixiert ist, gebildet.
An einem vorderen Endabschnitt des Innenumfangs des Metallgehäuses 110 ist ein Stufenabschnitt 115 gebildet, der einen zu der Vorderendseite hin abnehmenden Durchmesser aufweist. Ein konischer Vorderend-Umfangsrand des zweiten keramischen Halters 131 steht mit dem Stufenabschnitt 115 in Eingriff.
Das Talkpulver 133 ist hinter dem zweiten keramischen Halter 131 in dem Metallgehäuse 110 angeordnet, wobei das Sensorelement 120 durch das Talkpulver 133 verläuft. Der röhrenförmige erste keramische Halter 135 ist so in das Metallgehäuse 110 eingesetzt, dass er das Talkpulver 133 von der Rückendseite her presst. Ein radial äußerer Abschnitt der nach hinten gewandten Oberfläche des ersten keramischen Halters 135 ist abgeschrägt, und auf dem abgeschrägten Abschnitt ist eine ringförmige Crimpdichtung 143 angeordnet. Der Crimpabschnitt 118 des Metallgehäuses 110 ist so gecrimpt, dass der abgeschrägte Abschnitt des ersten keramischen Halters 135 durch die Crimpdichtung 143 zu der Vorderendseite hin gepresst wird.
Das durch den ersten keramischen Halter 135 gepresste Talkpulver 133 wird in dem Metallgehäuse 110 zerdrückt und füllt jeden Winkel aus, und das Sensorelement 120 wird durch das Talkpulver 133 in dem Metallgehäuse 110 in Position gehalten. Die Luftdichtheit des Metallgehäuses 110 wird durch die zwischen den Crimpabschnitt 118 und den ersten keramischen Halter 135 eingefügte Crimpdichtung 143 aufrechterhalten und dadurch ein Gasaustritt verhindert.
Der hintere Endabschnitt 129 des Sensorelements 120 steht von dem Crimpabschnitt 118, der ein hinterer Endabschnitt des Metallgehäuses 110 ist, vor. Der hintere Endabschnitt 129 ist durch ein röhrenförmiges Trennelement 145, das aus einer Isolierkeramik besteht, abgedeckt. Das Trennelement 145 hält in seinem Inneren fünf Verbinderanschlüsse 147 (in 1 sind drei davon gezeigt) zur elektrischen Verbindung mit den fünf Elektrodenanschlussflächen 128, die an dem hinteren Endabschnitt 129 des Sensorelements 120 gebildet sind. Außerdem nimmt das Trennelement 145 Verbindungsabschnitte zwischen den Verbinderanschlüssen 147 und fünf Zuleitungen 149 (in 1 sind drei davon gezeigt), die sich nach außerhalb des Sauerstoffsensors 100 erstrecken, so auf, dass die Verbindungsabschnitte voneinander isoliert sind.
Das Außenrohr 151 ist so angeordnet, dass es das Trennelement 145 umgibt. Das Außenrohr 151 besteht aus Edelstahl (bei der vorliegenden Ausführungsform SUS304), und sein vorderer Öffnungsabschnitt ist radial außerhalb des hinteren Endabschnitts des Metallgehäuses 110 angeordnet. Der vordere Öffnungsabschnitt ist von der Außenseite her gecrimpt, und um den gesamten Außenumfang des vorderen Öffnungsabschnitts ist eine Laserschweißung vorgenommen, wodurch der vordere Öffnungsabschnitt mit dem Metallgehäuse 110 verbunden ist.
In einem Raum zwischen dem Außenrohr 151 und dem Trennelement 145 ist ein metallisches röhrenförmiges Halteelement 153 angeordnet. Das Halteelement 153 weist einen Stützabschnitt 154 auf, der durch Einwärtsbiegen seines hinteren Endabschnitts gebildet ist. Der Stützabschnitt 154 greift in einen Flanschabschnitt 146, der an einem hinteren Endabschnitt des Außenumfangs des in das Halteelement 153 eingesetzten Trennelements 145 gebildet ist, ein, um dadurch das Trennelement 145 zu stützen.
Der Durchmesser des Außenrohrs 151 ist in einem Abschnitt hinter dem Trennelement 145 verringert. Die nach hinten gewandte Oberfläche des Trennelements 145 greift mit dem Abschnitt mit einem verringerten Durchmesser des Außenrohrs 151 ein. Dadurch wird eine Bewegung des Trennelements 145 in der Richtung der axialen Linie O verhindert und das Trennelement 145 durch den Stützabschnitt 154 gehalten. Ein Abschnitt des Außenrohrs 151, der sich außerhalb des Halteelements 153 befindet, ist zusammen mit dem Halteelement 153 einwärts gecrimpt. Dadurch wird das Halteelement 153, das das Trennelement 145 stützt, an dem Außenrohr 151 fixiert.
Eine aus einem Fluorkautschuk hergestellte Kabeldurchführung 155 ist in eine hintere Öffnung des Außenrohrs 151 eingesetzt. Die Kabeldurchführung 155 weist fünf Einsetzöffnungen (in 1 ist eine davon gezeigt) auf, und die fünf Zuleitungen 149, die sich von dem Trennelement 145 erstrecken, sind luftdicht durch die jeweiligen Einsetzöffnungen 146 geführt. Das Außenrohr 151 ist von der Außenseite her gecrimpt, wodurch die Kabeldurchführung 155 in dem obigen Zustand an dem Außenrohr 151 fixiert wird, während das Trennelement 145 zu der Vorderendseite hin gepresst wird.
Der Erfassungsabschnitt 121 des durch das Metallgehäuse 110 gehaltenen Sensorelements 120 steht nach vorn über den zweiten keramischen Halter 131 und das Metallgehäuse 110 hinaus vor. Die Schutzeinrichtung 160 zum Schützen des Erfassungsabschnitts 121 vor einer Verunreinigung, Wasser usw. ist auf einen vorderen Endabschnitt des Metallgehäuses 110 gesetzt und durch Laserschweißen fixiert. Die Schutzeinrichtung 160 weist einen Doppelaufbau auf, der eine röhrenförmige innere Schutzeinrichtung 161 mit einem geschlossenen Boden und eine äußere Schutzeinrichtung 162, die sich außerhalb der inneren Schutzeinrichtung 161 befindet und die innere Schutzeinrichtung aufnimmt, auf. Die innere Schutzeinrichtung 161 und die äußere Schutzeinrichtung 162 weisen passende Gaseinleitungslöcher und Gasauslasslöcher auf, und das Abgas (das zu erfassende Gas) kann in die Schutzeinrichtung 160 und daraus heraus strömen.
Die nach vorne gewandte Oberfläche des zweiten keramischen Halters 131 weist einen Vorderend-Umfangsrandabschnitt, der nach vorne verjüngt ist, und einen vertieften Abschnitt, der sich in Bezug auf den Vorderend-Umfangsrandabschnitt auf oder an der mittleren Seite befindet und zu der Rückendseite hin vertieft ist, auf. Eine Einsetzöffnung für das Sensorelement 120 verläuft durch die Mitte des vertieften Abschnitts. Eine nach hinten gewandte Oberfläche des zweiten keramischen Halters 131 weist einen flachen mittleren Abschnitt auf, und der Umfangsrand der nach hinten gewandten Oberfläche ist abgeschrägt.
Die nach vorne gewandte Oberfläche und die nach hinten gewandte Oberfläche des ersten keramischen Halters 135 weisen flache mittlere Abschnitte auf, und ihre Umfangsränder sind abgeschrägt. Das hintere Ende (das hinterste Ende) 135e des ersten keramischen Halters 135 befindet sich vor dem hinteren Ende (dem hintersten Ende) 118e des Crimpabschnitts 118.
Unter nun erfolgender Bezugnahme auf 2 wird die Beziehung zwischen dem ersten keramischen Halter 135, dem Talkpulver 133 und dem zweiten keramischen Halter 131, die das Merkmal der vorliegenden Erfindung darstellt, beschrieben werden. 2 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht von 1.
Das Talkpulver 133 ist aus einem anorganischen Material mit einem höheren Wärmedehnungskoeffizienten als jenem des ersten keramischen Halters 135 und des zweiten keramischen Halters 131 gebildet. Beispielsweise ist bei der vorliegenden Ausführungsform das Talkpulver 133 Talk und sind der erste keramische Halter 135 und der zweite keramische Halter 131 aus Aluminiumoxid gebildet.
L sei der Abstand, in der Richtung der axialen Linie O, zwischen der nach hinten gewandten Oberfläche des ersten keramischen Halters 135 und dem vorderen Ende des zweiten keramischen Halters 131 ist, und M die Länge des Talkpulvers 133 in der Richtung der axialen Linie O ist. Dann gilt die Beziehung 0,40 < (L - M)/L < 0,58.
Hier ist die Länge die gesamte Komprimierungslänge von dem ersten keramischen Halter 135 zu dem zweiten keramischen Halter 131 in der Richtung der axialen Linie O. Die Länge (L- M) ist die effektive Länge (in der Richtung der axialen Linie O) von Abschnitten des ersten keramischen Halters 135 und des zweiten keramischen Halters 135, die an dem Pressen (Komprimieren) des Talkpulvers 133 beteiligt sind.
Daher ist (L - M)/L das Verhältnis der effektiven Länge (L - M) des ersten keramischen Halters 135 und des zweiten keramischen Halters 131 zu der gesamten Presslänge L. Je größer das Verhältnis ist, desto größer ist die Gesamtlänge des ersten keramischen Halters 135 und des zweiten keramischen Halters 131 in Bezug auf die Länge des Talkpulvers 133.
Bei der Berechnung der Länge L ist die „nach hinten gewandte Oberfläche“ des ersten keramischen Halters 135 der hinterste Punkt eines durch das Kraftausübungsmittel (den Crimpabschnitt) 118 gepressten Abschnitts des ersten keramischen Halters 135. Der Grund dafür ist, dass ein hinter dem direkt oder indirekt durch den Crimpabschnitt 118 gepressten Abschnitt befindlicher Bereich des ersten keramischen Halters 135 (d.h., ein nicht gepresster Bereich) für das Pressen durch den Crimpabschnitt 118 nicht von Bedeutung ist.
Zum Beispiel wird in 2 die Presskraft des Crimpabschnitts 118 über die Crimpdichtung 143 indirekt auf den ersten keramischen Halter 135 ausgeübt. Da die Crimpdichtung 143 verformt wird und eine flache Oberfläche aufweist, wird der hinterste Punkt P der Kontaktfläche zwischen der Crimpdichtung 143 und dem ersten keramischen Halter 135 als die „nach hinten gewandte Oberfläche“ angesehen.
Ebenso ist bei der Berechnung der Länge L das „vordere Ende“ des zweiten keramischen Halters 131 der vorderste Punkt eines in einem direkten oder indirekten Kontakt mit dem Metallgehäuse 110 stehenden Abschnitts des zweiten keramischen Halters 131. Der Grund dafür ist, dass die Presskraft des Crimpabschnitts 118 nicht auf einen vor dem mit dem Metallgehäuse 110 in Kontakt stehenden Abschnitt befindlichen Bereich des zweiten keramischen Halters 131 (d.h., einen nicht gepressten Bereich) wirkt und dieser Bereich für das Pressen durch den Crimpabschnitt 118 nicht von Bedeutung ist.
Beispielsweise ist in 2 das „vordere Ende“ des zweiten keramischen Halters 131 der vorderste Punkt Q der Kontaktfläche zwischen dem zweiten keramischen Halter 131 und dem Stufenabschnitt 115 an dem Innenumfang des Metallgehäuses 110.
Bei der Berechnung der Länge M ist das hintere Ende des Talkpulvers 133 in der Richtung der axialen Linie O der Mittelpunkt C1, in Richtung der axialen Linie O, zwischen dem vordersten Ende S und dem hintersten Ende T eines mit dem Talkpulver 133 in Kontakt stehenden Abschnitts des ersten keramischen Halters 135.
Der Grund dafür lautet wie folgt. Bei der vorliegenden Ausführungsform weist die nach vorne gewandte Oberfläche des ersten keramischen Halters 135 eine konische Form auf oder ist sie abgeschrägt. In vielen Fällen handelt es sich bei der nach vorne gewandten Fläche nicht um eine einfache flache Fläche. Wenn das vorderste Ende S oder das hinterste Ende T als das „vordere Ende“ des ersten keramischen Halters 135 angesehen wird, kann es sein, dass die Länge M als zu kurz oder zu lang geschätzt wird.
Ebenso ist bei der Berechnung der Länge M das vordere Ende des Talkpulvers 133 in der Richtung der axialen Linie O der Mittelpunkt C2, in Richtung der axialen Linie O, zwischen dem vordersten Ende U und dem hintersten Ende V eines mit dem Talkpulver 133 in Kontakt stehenden Abschnitts des zweiten keramischen Halters 131.
Wenn 0,40 < (L - M)/ L < 0,58 erfüllt ist, kann das Verhältnis der effektiven Länge (L - M), in Richtung der axialen Linie O, des ersten keramischen Halters 135 und des zweiten keramischen Halters 131, die einen niedrigeren Wärmedehnungskoeffizienten als das Talkpulver 133 aufweisen, passend festgelegt werden.
Dies verringert wie in 3 gezeigt die Rate der Abnahme der Presskraft, wenn der Gassensor auf eine hohe Temperatur erhitzt wird. Daher kann die Verschlechterung der Abdichtungsfähigkeit bei einer hohen Temperatur verhindert werden, während ein Bruch des Sensorelements 120 verhindert wird, ohne dass es nötig ist, die auf das Talkpulver 133 wirkende Presskraft zu erhöhen.
Wenn (L - M)/L ≤40 ist, ist die effektive Länge (L - M) des ersten keramischen Halters 135 und des zweiten keramischen Halters 131 in Bezug auf die Presslänge L klein, d.h., ist die Länge M des Talkpulvers 133 in Bezug auf die Presslänge L übermäßig groß. In diesem Fall kann es sein, dass eine übermäßig große Belastung auf das Sensorelement 120 ausgeübt wird, wenn das Talkpulver 133 komprimiert wird, und kann das Sensorelement 120 brechen.
Wenn (L - M)/L ≥ 0,58 ist, ist die Länge M des Talkpulvers 133 in Bezug auf die Presslänge L übermäßig groß. In diesem Fall ist die Länge der Abdichtung klein, was eine Verschlechterung der Abdichtungsfähigkeit bei einer hohen Temperatur verursacht.
Wie in 2 gezeigt ist bei der vorliegenden Ausführungsform die Länge T2 des zweiten keramischen Halters 131 in der Richtung der axialen Linie O größer als die Länge T1 des ersten keramischen Halters 135 in der Richtung der axialen Linie O.
In diesem Fall ist es selbst dann, wenn zum Beispiel Abgas mit einer hohen Temperatur von der Vorderendseite des Sauerstoffsensors 100 übertragen wird, weniger wahrscheinlich, dass Wärme zu dem Talkpulver 133 übertragen wird, da die Länge T2, in Richtung der axialen Linie O, des zweiten keramischen Halters, der sich vor dem Talkpulver 133 befindet, länger ist, und kann die Verschlechterung der Abdichtungsfähigkeit aufgrund einer Wärmeschädigung des Talkpulvers 133 noch weiter verhindert werden.
Die Längen T1 und T2 sind die Längen des ersten keramischen Halters 135 bzw. des zweiten keramischen Halters 131 zwischen ihrem vorderen und ihrem hinteren Ende. Der Grund dafür ist, dass dann, wenn die Übertragung von Wärme in der Richtung der axialen Linie O durch derartiges Festlegen der Länge T2, dass sie größer als die Länge T1 ist, gesteuert wird, die Längen (in der Richtung der axialen Linie O) der an der Erzeugung der Presskraft beteiligten Abschnitte des ersten keramischen Halters 135 und des zweiten keramischen Halters 131 keinen Einfluss auf die Steuerung der Wärmeübertragung aufweisen, aber die Nettolängen des ersten keramischen Halters 135 und des zweiten keramischen Halters 131 einen Einfluss auf die Steuerung der Wärmeübertragung aufweisen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obige Ausführungsform beschränkt. Zum Beispiel kann wie in 4 gezeigt ein röhrenförmiger Vorsprung 235p mit einem verringerten Durchmesser in einem hinteren Endabschnitt eines ersten keramischen Halters 235 bereitgestellt werden und ein hinteres Ende (ein hinterstes Ende) 235e des Vorsprungs 235p von dem hinteren Ende (dem hintersten Ende) 118e des Crimpabschnitts 118 nach hinten vorstehen. Wenn der Vorsprung 235p von dem Crimpabschnitt 118 nach hinten vorsteht, kann das Sensorelement 120 über eine lange Haltelänge verfügen. Doch wenn die Haltelänge des Sensorelements 120 groß ist, bricht das Sensorelement 120 leicht, wenn die Mittelachse des Sensorelements 120 während des Zusammenbaus von der Mittelachse des ersten keramischen Halters 235 abweicht.
Daher ist es im Hinblick auf das Verhindern eines Bruchs des Sensorelements günstig, wenn das hintere Ende 135e des ersten keramischen Halters 135e wie in 1 gezeigt mit dem hinteren Ende 118e des Crimpabschnitts 118 bündig ist oder sich vor dem hinteren Ende 118e befindet.
Bei der Ausführungsform von 4 wird ein metallischer Halter 212 an dem vorderen Ende des Innenraums des Metallgehäuses 110 gehalten und sind ein zweiter keramischer Halter 231 und Talkpulver 233 in dieser Reihenfolge von der Vorderendseite her in dem metallischen Halter 212 angeordnet. Das Talkpulver 233 umfasst ersten Talk 233a, der in dem metallischen Halter 212 angeordnet wird, und zweiten Talk 233b, der sich über das hintere Ende des metallischen Halters 212 erstreckt. Der erste Talk 233a wird in den metallischen Halter 212 gefüllt und darin komprimiert und das Sensorelement 120 dadurch an dem metallischen Halter 212 fixiert. Der zweite Talk 233b wird in das Metallgehäuse 110 gefüllt und darin komprimiert und dadurch die Abdichtung zwischen der Außenfläche des Sensorelements 120 und der Innenfläche des Metallgehäuses 110 sichergestellt. Der erste keramische Halter 235 ist hinter dem zweiten Talk 233b angeordnet.
Das Kraftausübungsmittel ist nicht auf den Crimpabschnitt 118 beschränkt. Zum Beispiel kann wie in 5 gezeigt eine Metallkappe 340 als Kraftausübungsmittel verwendet werden und ein hinterer Endabschnitt 310e eines Metallgehäuses 310 von der Metallkappe 340 bedeckt sein.
In diesem Fall wird zum Beispiel vorab ein vertiefter Abschnitt 310r entlang der äußeren Umfangsfläche des hinteren Endabschnitts 310e des Metallgehäuses 310 gebildet und die Metallkappe 340 von dessen Rückendseite so auf einen ersten keramischen Halter 335 gepasst, dass das Sensorelement 120 von einer Einsetzöffnung der Metallkappe 340 nach hinten vorsteht. Dann wird die Umfangswand der Metallkappe 340 so radial einwärts gecrimpt, dass sie in den vertieften Abschnitt 310r eingreift, und die Metallkappe 340 dadurch an dem Metallgehäuse 310 fixiert. Dann wird eine passende Außenröhre, die der in 1 gezeigten Außenröhre 151 ähnlich ist, außen so aufgesetzt, dass sie die Metallkappe 340 umgibt.
Ein metallischer Halter 312, ein zweiter keramischer Halter 331 und das Talkpulver 333 sind jeweils dem metallischen Halter 212, dem zweiten keramischen Halter 231 und dem Talkpulver 233 in 4 gleich.
Man wird verstehen, das die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern auf jeden beliebigen Gassensor mit einem plattenförmigen Sensorelement anwendbar ist. Die vorliegende Erfindung umfasst verschiedene Abwandlungen und Entsprechungen innerhalb des Geists und Umfangs der vorliegenden Erfindung. Zum Beispiel kann die vorliegende Erfindung auf NOx-Sensoren (NOx-Sensorelemente) zum Erfassen der Konzentration von NOx in einem Messgas, HC-Sensoren (HC-Sensorelemente) zum Erfassen der Konzentration von HC, usw. angewendet werden.
Das Pulverfüllmaterial ist nicht auf Talk beschränkt, es kann jedes beliebige Pulver, das aus einem anorganischen Material gebildet ist, verwendet werden.
Beispiel 1
Es wurden plattenförmige Sauerstoffsensoren 100 mit dem in 1 und 2 gezeigten Aufbau zusammengesetzt. Das Talkpulver 133 war aus Talk gebildet, und der erste keramische Halter 135 und der zweite keramische Halter 131 waren aus Aluminiumoxid gebildet. Unterschiedliche Mengen des Talkpulvers 133 wurden in Metallgehäuse 110 gefüllt, um mehrere Sauerstoffsensoren 100 mit unterschiedlichen Werten von (L - M)/L herzustellen.
Die Abdichtungsfähigkeit eines jeden der Sauerstoffsensoren 100 wurde durch eine Messung des Austritts von einem unteren Aufbau bewertet. Insbesondere wurde der untere Aufbau vorbereitet, indem das Sensorelement 120 und die Schutzeinrichtung 160, die in 1 gezeigt sind, an dem in 1 gezeigten Metallgehäuse 110 angebracht wurden, und es wurde Luft mit einem Druck von 0,6 MPa von der Seite der Schutzeinrichtung 160 her in den unteren Aufbau eingebracht. Wenn die Gesamtmenge des Luftaustritts von dem Spalt zwischen dem Sensorelement 120 und dem Talkpulver 133 und dem Spalt zwischen dem Talkpulver 133 und dem Metallgehäuse 110 0,3 ccm/min oder weniger betrug, wurde die Abdichtungsfähigkeit als „gut“ bewertet. Die Abdichtungsfähigkeit wurde als „schlecht“ bewertet, wenn die Menge des Luftaustritts mehr als 0,3 ccm/min betrug.
Jeder der Sauerstoffsensoren 100 wurde einem Elementbruchversuch unterzogen und das Vorhandensein eines Bruchs des Sensorelements 120 geprüft. Insbesondere wurde bestimmt, ob es zu einem Bruch kam oder nicht, als das Sensorelement 120 an dem Sauerstoffsensor 100 angebracht war. Wenn es auch nur in einem Sauerstoffsensor zu einem Bruch kam, wurde eine Bewertung von „schlecht“ abgegeben.

Die erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1

	(L - M)/L	Abdichtungs -fähigkeit	Bruch des Sensorelements	Gesamtbewertung
Versuchsbeispiel 1	0,30	gut	schlecht	schlecht
Versuchsbeispiel 2	0,40	gut	schlecht	schlecht
Versuchsbeispiel 3	0,41	gut	gut	gut
Versuchsbeispiel 4	0,50	gut	gut	gut
Versuchsbeispiel 5	0,57	gut	gut	gut
Versuchsbeispiel 6	0,58	schlecht	gut	schlecht
Versuchsbeispiel 7	0,62	schlecht	gut	schlecht

Wie aus Tabelle 1 klar ist, war bei den Versuchsbeispielen 3 bis 5, bei denen die Beziehung 0,40 < (L - M)/L < 0,58 erfüllt wurde, die Abdichtungsleistungsfähigkeit gut und kam es nicht zu einem Bruch des Sensorelements, weshalb die Gesamtbewertung „gut“ lautete.
Doch bei den Versuchsbeispielen 1 und 2, bei denen (L - M)/L ≤ 0,40 war, kam es zu einem Bruch des Sensorelements und lautete die Gesamtbewertung „schlecht“. Dies kann daran liegen, dass aufgrund des Umstands, dass die Länge M des Talkpulvers 133 gegenüber der Presslänge L übermäßig lang ist, eine übermäßig starke Belastung auf das Sensorelement 120 ausgeübt wird, wenn das Talkpulver 133 komprimiert wird.
Bei den Versuchsbeispielen 6 und 7, bei denen (L - M)/L ≥ 0,58 war, ist die Länge M des Talkpulvers 133 gegenüber der Presslänge L übermäßig klein. In diesem Fall war die Abdichtungslänge klein, sodass sich die Abdichtungsfähigkeit verschlechterte.
Bezugszeichenliste

100:: Gassensor
110, 310:: Metallgehäuse
118, 340:: Kraftausübungsmittel
118e:: hinteres Ende des Kraftausübungsmittels
120:: Sensorelement
121:: Erfassungsabschnitt
131, 231, 331:: zweiter keramischer Halter
133, 233, 333:: Pulverfüllelement
135, 235, 335:: erster keramischer Halter
135e:: hinteres Ende des ersten keramischen Halters
O:: axiale Linie
L:: axiale Länge zwischen der nach hinten gewandten Oberfläche des ersten keramischen Halters und dem vorderen Ende des zweiten keramischen Halters
M:: axiale Länge des Pulverfüllelements
T1:: axiale Länge des ersten keramischen Halters
T2:: axiale Länge des zweiten keramischen Halters

Claims

Gassensor (100), aufweisend: ein Sensorelement (120), das sich in einer Richtung einer axialen Linie (O) erstreckt und einen an seinem vorderen Ende angeordneten Erfassungsabschnitt (121) aufweist; ein röhrenförmiges Metallgehäuse (110, 130), das in seinem Inneren das Sensorelement (120) hält; ein Pulverfüllelement (133, 233, 333), das aus einem anorganischen Material gebildet ist und einen Spalt zwischen dem Sensorelement (120) und dem Metallgehäuse (110, 310) abdichtet; einen röhrenförmigen ersten keramischen Halter (135, 235, 335), der mit einem hinteren Ende des Pulverfüllelements (133, 233, 333) in Kontakt steht und zwischen dem Sensorelement (120) und dem Metallgehäuse (110, 310) angeordnet ist, wobei das Sensorelement (120) von dem ersten keramischen Halter (135, 235, 335) nach hinten vorsteht; und einen röhrenförmigen zweiten keramischen Halter (131, 231, 331), der mit einem vorderen Ende des Pulverfüllelements (133, 233, 333) in Kontakt steht und zwischen dem Sensorelement (120) und dem Metallgehäuse (110, 310) angeordnet ist, wobei das Sensorelement (120) von dem zweiten keramischen Halter (131, 231, 331) nach vorne vorsteht, wobei das Pulverfüllelement (133, 233, 333) einen höheren Wärmedehnungskoeffizienten als der erste keramische Halter (135, 235, 335) und der zweite keramische Halter (131, 231, 331) aufweist, wobei der erste keramische Halter (135, 235, 335), das Pulverfüllelement (133, 233, 333) und der zweite keramische Halter (131, 231, 331) fixiert sind, während sie durch ein Kraftausübungsmittel (118, 340) von einer Rückendseite des Metallgehäuses zu einer Vorderendseite des Metallgehäuses gepresst werden, wobei das Kraftausübungsmittel (118, 340) einen hinteren Endabschnitt des Metallgehäuses (110, 310) beinhaltet, wobei der hintere Endabschnitt einwärts gebogen ist, um eine Presskraft direkt oder indirekt auf eine nach hinten gewandte Oberfläche des ersten keramischen Halters (135, 235, 335) auszuüben, und wobei ein Verhältnis von 0,40 < (L - M)/L < 0,58 erfüllt ist, wobei L ein Abstand in der Richtung der axialen Linie (O) zwischen der nach hinten gewandten Oberfläche des ersten keramischen Halters (135, 235, 335) und einem vorderen Ende des zweiten keramischen Halters (131, 231, 331) ist, und M eine Länge des Pulverfüllelements (133, 233, 333) in der Richtung der axialen Linie (O) ist.
Gassensor (100) nach Anspruch 1, wobei ein hinteres Ende (135e) des ersten keramischen Halters (135, 235, 335) mit einem hinteren Ende (118e) des Kraftausübungsmittels (118, 340) bündig ist oder sich vor dem hinteren Ende (118e) des Kraftausübungsmittels (118, 340) befindet.
Gassensor (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Länge (T2) des zweiten keramischen Halters (131, 231, 331) in der Richtung der axialen Linie (O) größer als eine Länge (T1) des ersten keramischen Halters (135, 235, 335) in der Richtung der axialen Linie (O) ist.