JP3520309B2 - ガスセンサのセンサ素子のためのシール装置 - Google Patents
ガスセンサのセンサ素子のためのシール装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】
背景技術
本発明は、請求の範囲第１項の上位概念に記載の形式
の、ガスセンサのセンサ素子のためのシール装置に関す
る。内燃機関の排気ガス中の酸素含有量を測定するため
に使用されるセンサ素子は、一方ではフィンガ形構造を
有しており、この場合、電気機械的な固体電解質が、ケ
ーシングに密に固定配置された、一方が閉鎖された管と
して形成されている。他方で公知のプレートプローブの
場合には、酸素イオン透過性のプレーナ型の固体電解質
が、同様にケーシングに密に固定されている。 ドイツ連邦共和国特許出願公開第4126378号明細書に
は、プレートプローブのためのシール装置が開示されて
いる。この場合、プレートプローブは、ケーシング内に
配置された２つのセラミック成形材の間に位置してお
り、これらのセラミック成形材はセンサ素子をケーシン
グ内で固定している。シール装置はステアタイト（Spec
kstein）から成っている。 フィンガプローブの場合には、無電位のガスセンサと
電位を有するガスセンサとに区別される。電位を有する
フィンガプローブの場合には、外側の電極の導電路は、
導電性のシールリングを介してケーシングに接続され
る。無電位のフィンガプローブの場合には、各電極接続
部は直接に制御装置に接続されるので、ケーシングとの
電気的な接触は不可能である。無電位のフィンガプロー
ブのために、変形可能で電気的に絶縁性のセラミックの
シールリングを使用することが既に知られている。 変形可能なセラミックのシールリングは、フィンガプ
ローブの場合にもプレートプローブの場合にも使用され
るシール材料であり、低い焼結温度で前焼結される。こ
のことにより、高いプレス力の場合でも残留多孔性が維
持される。残留多孔性は、毛管力に基づき水及び燃料が
シール装置を浸透するという欠点を有している。 発明の利点 これに対して請求の範囲第１項の特徴部に記載の本発
明によるシール装置は、液体、特に燃料に対して非透過
性であるという利点を有している。液体燃料に対するシ
ール性は特に、内燃機関の始動が困難な際に燃料が排気
管内に侵入した場合に必要となる。 請求項２以下に記載した手段により、請求項１に挙げ
たシール装置の更に有利な構成及び改良が可能となる。
シール体と付加シールとが共にケーシング内でプレスさ
れていると、特に良好なシール特性が得られる。これに
より、付加シールがセンサ素子とケーシングとの間にギ
ャップなしで位置する。付加シールのために特に適当な
材料として、グラファイトが挙げられる。グラファイト
は、ラメラ構造に基づき、相応に高くプレスされた場合
に水及び燃料に対して非透過性となる。 図面 図面には本発明の２つの実施例が示されており、これ
について以下に詳しく説明する。図１は、フィンガプロ
ーブを備えたガスセンサの排気ガス側部分の縦断面図で
あり、図２は、図１に示したシール装置の部分拡大図で
あり、図３は、プレートプローブを備えたガスセンサの
排気ガス側部分の縦断面図である。 実施例 図１には電気機械的な酸素ガスセンサ10が図示されてお
り、この酸素ガスセンサ10は金属製のケーシング11を有
しており、このケーシング11は外側に、測定ガス管（図
示せず）に組付けるための固定手段としてのスパナを係
合させるための六角体12とねじ山13とを有している。ケ
ーシング11は、センサエレメントとして働くフィンガプ
ローブ16のための収容部15を備えた長手方向孔14を有し
ている。収容部15は環状の底面27を有している。 フィンガプローブ16は自体公知の電気機械的な酸素セ
ンサであり、有利には排気ガス中の酸素分圧の測定のた
めに使用される酸素センサである。フィンガプローブ16
は管状の固体電解質体17を有しており、この固体電解質
体17の測定ガス側の端区分は閉鎖されている。測定電極
（図示せず）の、測定ガスにさらされる外側には保護層
33が被覆されていて、内室に向いた側には、標準ガス、
例えば空気にさらされる照合電極（図示せず）が配置さ
れている。フィンガプローブ16は接続側に、***した頭
部25を有しており、この頭部25には、肩部26と端面とし
ての環状面19とが形成されている。フィンガプローブ16
は測定ガス側で、間隔を置いて保護管22によって取り囲
まれており、この保護管22は、測定ガスの流入若しくは
流出のために開口23を有している。保護管22はケーシン
グ11の測定ガス側の端部に、フランジ24を介して固定さ
れている。 測定電極と照合電極とは、それぞれ電極導電路（図２
に測定電極の導電路18だけを図示する）によって、フィ
ンガプローブ16の接続側の環状面19に接続されている。
導電路18は、ケーシング11とのアース接続を阻止するた
めに、絶縁性のカバー層18′によって覆われている。環
状面19には、照合電極接続部材20と測定電極接続部材21
とが取り付けられている。照合電極接続部材20と測定電
極接続部材21とは、電気的な接続部（図示せず）によっ
て接続されている。 長手方向孔14に形成された収容部15は、フィンガプロ
ーブ16の***した頭部25が半径方向で案内されて、フィ
ンガプローブ16の肩部26と底面27との間に、シール装置
28が配置されるシール区域を形成するように構成されて
いる。シール装置28は、測定ガス側のシールリング29
と、接続側のシールリング30と、これらのシールリング
29,30の間に配置された付加シール31とを有している
（図２参照）。両シールリング29,30は、低い焼結温度
で多孔質に焼結される材料から成っているので、プレス
力をかけられるとそれぞれ変形可能である。このために
適当な材料は、例えば珪酸マグネシウムアルミニウム若
しくはステアタイト（Steatit）である。これに対して
付加シールリング31は例えば、同様にプレス力の作用で
変形可能なグラファイトから成っている。 シール装置28を形成するためには、測定ガス側の前焼
結されたシールリング29と、付加シールリング31と、接
続側の前焼結されたシールリング30とが、収容部15に嵌
め込まれる。接続側のシールリング30には、フィンガプ
ローブ16の肩部26が装着されている。フィンガプローブ
16へのプレス力の作用を受けて、両シールリング29,30
は、肩部26と収容部15とに合わせて変形する。同時に付
加リング31は、ケーシング11とフィンガプローブ16との
間で十分な半径方向の圧着力が生じるように圧縮され、
これによってフィンガプローブ16はギャップなしで長手
方向孔14の内部に保持される。半径方向の圧着力は絶縁
性のカバー層18′に均一に作用するので、カバー層18′
の損傷は生じない。 フィンガプローブ16が収容部15内に押し込まれると、
フィンガプローブ16は、照合電極接続部材20と測定電極
接続部材21とに係合する絶縁スリーブ32によって保持さ
れる。ほぼ気密性でセラミック製の２つのシールリング
29,30の間に付加シールリング31を埋め込むことによっ
て、雰囲気条件の下で約600℃から始まるグラファイト
の酸化が十分に阻止される。このことは同様に、中実成
形体又は前プレスされた粉末成形体の状態のニッケル又
は銅から成る金属製の付加シールの場合にも云える。 図３には、プレートプローブ36を備えた酸素ガスセン
サ10の第２実施例が図示されている。この場合長手方向
孔14は肩状の幅狭部41を有しており、この幅狭部41に
は、測定ガス側のセラミック成形材37が接触している。
長手方向孔14内には、測定側のセラミック成形材37から
間隔を置いて、接続側のセラミック成形材38が配置され
ている。第２実施例の場合には長手方向孔14は、接続側
のセラミック成形材38が測定ガス側のセラミック成形材
37よりも大きな直径を有するように段付けされている。
セラミック成形材37,38には、それぞれ中央に貫通孔39,
40が形成されている。これらの貫通孔39,40は、プレー
トプローブ36を収容するために役立つ。 互いに間隔を置いた両セラミック部材37,38の間に
は、シール装置28が配置されている。シール装置28は、
第１実施例の場合に類似して測定ガス側のシールディス
ク42と接続側のシールディスク43とを有しており、これ
らのシールディスク42,43の間には付加シールディスク4
4が配置されている。排気ガス側のシールディスク43は
例えば測定ガス側のシールディスク42よりも厚く形成さ
れている。更に、長手方向孔14の、広い直径から狭い直
径への移行部は、接続側のシールディスク43の範囲で円
錐形の移行部として形成されている。両シールディスク
42,43は、第１実施例の場合と同様に、例えば前焼結さ
れたセラミック材から成っている。付加シールディスク
44も、同様にグラファイトから成っている。 プレートプローブ36のシールは、測定ガス側のセラミ
ック成形材37に、測定ガス側のシールディスク42と付加
シールディスク44と接続側のシールディスク43と接続側
のセラミック成形材38とを載置することによって行われ
る。プレス力を加えることによってシールディスク42,4
3と付加シールディスク44とが押し合わされて、それぞ
れが変形する。付加ディスク44の変形によって、第１実
施例の場合のようにケーシング11とプレートプローブ36
との間に半径方向の圧着力が生じるので、プレートプロ
ーブ36はギャップなしで長手方向孔14の内部に位置す
る。この場合にも半径方向の圧着力は、プレートプロー
ブ36の損傷を生ぜしめないように均一に加えられる。 第２実施例の場合には、プレートプローブ36に凝縮水
が侵入することを阻止するために、保護管22が、外側の
保護管45と内側の保護管46とを備えた二重壁状に形成さ
れている。外側の保護管45には外側のガス開口47が設け
られており、内側の保護管46には前記ガス開口47に対し
て軸方向でずらされて内側のガス開口48が配置されてい
る。通流をより良くするために、内側の保護管46の底部
に付加的な開口49が設けられている。 シール装置28のプレス時のセンサ素子の損傷を回避す
るためには、付加シールリング31又は付加シールディス
ク44のために、フィンガプローブ16のカバー層18′の硬
度若しくはプレートプローブ36に使用されたセラミック
の硬度よりも小さな硬度を有した延性の材料を使用する
ことができる。
の、ガスセンサのセンサ素子のためのシール装置に関す
る。内燃機関の排気ガス中の酸素含有量を測定するため
に使用されるセンサ素子は、一方ではフィンガ形構造を
有しており、この場合、電気機械的な固体電解質が、ケ
ーシングに密に固定配置された、一方が閉鎖された管と
して形成されている。他方で公知のプレートプローブの
場合には、酸素イオン透過性のプレーナ型の固体電解質
が、同様にケーシングに密に固定されている。 ドイツ連邦共和国特許出願公開第4126378号明細書に
は、プレートプローブのためのシール装置が開示されて
いる。この場合、プレートプローブは、ケーシング内に
配置された２つのセラミック成形材の間に位置してお
り、これらのセラミック成形材はセンサ素子をケーシン
グ内で固定している。シール装置はステアタイト（Spec
kstein）から成っている。 フィンガプローブの場合には、無電位のガスセンサと
電位を有するガスセンサとに区別される。電位を有する
フィンガプローブの場合には、外側の電極の導電路は、
導電性のシールリングを介してケーシングに接続され
る。無電位のフィンガプローブの場合には、各電極接続
部は直接に制御装置に接続されるので、ケーシングとの
電気的な接触は不可能である。無電位のフィンガプロー
ブのために、変形可能で電気的に絶縁性のセラミックの
シールリングを使用することが既に知られている。 変形可能なセラミックのシールリングは、フィンガプ
ローブの場合にもプレートプローブの場合にも使用され
るシール材料であり、低い焼結温度で前焼結される。こ
のことにより、高いプレス力の場合でも残留多孔性が維
持される。残留多孔性は、毛管力に基づき水及び燃料が
シール装置を浸透するという欠点を有している。 発明の利点 これに対して請求の範囲第１項の特徴部に記載の本発
明によるシール装置は、液体、特に燃料に対して非透過
性であるという利点を有している。液体燃料に対するシ
ール性は特に、内燃機関の始動が困難な際に燃料が排気
管内に侵入した場合に必要となる。 請求項２以下に記載した手段により、請求項１に挙げ
たシール装置の更に有利な構成及び改良が可能となる。
シール体と付加シールとが共にケーシング内でプレスさ
れていると、特に良好なシール特性が得られる。これに
より、付加シールがセンサ素子とケーシングとの間にギ
ャップなしで位置する。付加シールのために特に適当な
材料として、グラファイトが挙げられる。グラファイト
は、ラメラ構造に基づき、相応に高くプレスされた場合
に水及び燃料に対して非透過性となる。 図面 図面には本発明の２つの実施例が示されており、これ
について以下に詳しく説明する。図１は、フィンガプロ
ーブを備えたガスセンサの排気ガス側部分の縦断面図で
あり、図２は、図１に示したシール装置の部分拡大図で
あり、図３は、プレートプローブを備えたガスセンサの
排気ガス側部分の縦断面図である。 実施例 図１には電気機械的な酸素ガスセンサ10が図示されてお
り、この酸素ガスセンサ10は金属製のケーシング11を有
しており、このケーシング11は外側に、測定ガス管（図
示せず）に組付けるための固定手段としてのスパナを係
合させるための六角体12とねじ山13とを有している。ケ
ーシング11は、センサエレメントとして働くフィンガプ
ローブ16のための収容部15を備えた長手方向孔14を有し
ている。収容部15は環状の底面27を有している。 フィンガプローブ16は自体公知の電気機械的な酸素セ
ンサであり、有利には排気ガス中の酸素分圧の測定のた
めに使用される酸素センサである。フィンガプローブ16
は管状の固体電解質体17を有しており、この固体電解質
体17の測定ガス側の端区分は閉鎖されている。測定電極
（図示せず）の、測定ガスにさらされる外側には保護層
33が被覆されていて、内室に向いた側には、標準ガス、
例えば空気にさらされる照合電極（図示せず）が配置さ
れている。フィンガプローブ16は接続側に、***した頭
部25を有しており、この頭部25には、肩部26と端面とし
ての環状面19とが形成されている。フィンガプローブ16
は測定ガス側で、間隔を置いて保護管22によって取り囲
まれており、この保護管22は、測定ガスの流入若しくは
流出のために開口23を有している。保護管22はケーシン
グ11の測定ガス側の端部に、フランジ24を介して固定さ
れている。 測定電極と照合電極とは、それぞれ電極導電路（図２
に測定電極の導電路18だけを図示する）によって、フィ
ンガプローブ16の接続側の環状面19に接続されている。
導電路18は、ケーシング11とのアース接続を阻止するた
めに、絶縁性のカバー層18′によって覆われている。環
状面19には、照合電極接続部材20と測定電極接続部材21
とが取り付けられている。照合電極接続部材20と測定電
極接続部材21とは、電気的な接続部（図示せず）によっ
て接続されている。 長手方向孔14に形成された収容部15は、フィンガプロ
ーブ16の***した頭部25が半径方向で案内されて、フィ
ンガプローブ16の肩部26と底面27との間に、シール装置
28が配置されるシール区域を形成するように構成されて
いる。シール装置28は、測定ガス側のシールリング29
と、接続側のシールリング30と、これらのシールリング
29,30の間に配置された付加シール31とを有している
（図２参照）。両シールリング29,30は、低い焼結温度
で多孔質に焼結される材料から成っているので、プレス
力をかけられるとそれぞれ変形可能である。このために
適当な材料は、例えば珪酸マグネシウムアルミニウム若
しくはステアタイト（Steatit）である。これに対して
付加シールリング31は例えば、同様にプレス力の作用で
変形可能なグラファイトから成っている。 シール装置28を形成するためには、測定ガス側の前焼
結されたシールリング29と、付加シールリング31と、接
続側の前焼結されたシールリング30とが、収容部15に嵌
め込まれる。接続側のシールリング30には、フィンガプ
ローブ16の肩部26が装着されている。フィンガプローブ
16へのプレス力の作用を受けて、両シールリング29,30
は、肩部26と収容部15とに合わせて変形する。同時に付
加リング31は、ケーシング11とフィンガプローブ16との
間で十分な半径方向の圧着力が生じるように圧縮され、
これによってフィンガプローブ16はギャップなしで長手
方向孔14の内部に保持される。半径方向の圧着力は絶縁
性のカバー層18′に均一に作用するので、カバー層18′
の損傷は生じない。 フィンガプローブ16が収容部15内に押し込まれると、
フィンガプローブ16は、照合電極接続部材20と測定電極
接続部材21とに係合する絶縁スリーブ32によって保持さ
れる。ほぼ気密性でセラミック製の２つのシールリング
29,30の間に付加シールリング31を埋め込むことによっ
て、雰囲気条件の下で約600℃から始まるグラファイト
の酸化が十分に阻止される。このことは同様に、中実成
形体又は前プレスされた粉末成形体の状態のニッケル又
は銅から成る金属製の付加シールの場合にも云える。 図３には、プレートプローブ36を備えた酸素ガスセン
サ10の第２実施例が図示されている。この場合長手方向
孔14は肩状の幅狭部41を有しており、この幅狭部41に
は、測定ガス側のセラミック成形材37が接触している。
長手方向孔14内には、測定側のセラミック成形材37から
間隔を置いて、接続側のセラミック成形材38が配置され
ている。第２実施例の場合には長手方向孔14は、接続側
のセラミック成形材38が測定ガス側のセラミック成形材
37よりも大きな直径を有するように段付けされている。
セラミック成形材37,38には、それぞれ中央に貫通孔39,
40が形成されている。これらの貫通孔39,40は、プレー
トプローブ36を収容するために役立つ。 互いに間隔を置いた両セラミック部材37,38の間に
は、シール装置28が配置されている。シール装置28は、
第１実施例の場合に類似して測定ガス側のシールディス
ク42と接続側のシールディスク43とを有しており、これ
らのシールディスク42,43の間には付加シールディスク4
4が配置されている。排気ガス側のシールディスク43は
例えば測定ガス側のシールディスク42よりも厚く形成さ
れている。更に、長手方向孔14の、広い直径から狭い直
径への移行部は、接続側のシールディスク43の範囲で円
錐形の移行部として形成されている。両シールディスク
42,43は、第１実施例の場合と同様に、例えば前焼結さ
れたセラミック材から成っている。付加シールディスク
44も、同様にグラファイトから成っている。 プレートプローブ36のシールは、測定ガス側のセラミ
ック成形材37に、測定ガス側のシールディスク42と付加
シールディスク44と接続側のシールディスク43と接続側
のセラミック成形材38とを載置することによって行われ
る。プレス力を加えることによってシールディスク42,4
3と付加シールディスク44とが押し合わされて、それぞ
れが変形する。付加ディスク44の変形によって、第１実
施例の場合のようにケーシング11とプレートプローブ36
との間に半径方向の圧着力が生じるので、プレートプロ
ーブ36はギャップなしで長手方向孔14の内部に位置す
る。この場合にも半径方向の圧着力は、プレートプロー
ブ36の損傷を生ぜしめないように均一に加えられる。 第２実施例の場合には、プレートプローブ36に凝縮水
が侵入することを阻止するために、保護管22が、外側の
保護管45と内側の保護管46とを備えた二重壁状に形成さ
れている。外側の保護管45には外側のガス開口47が設け
られており、内側の保護管46には前記ガス開口47に対し
て軸方向でずらされて内側のガス開口48が配置されてい
る。通流をより良くするために、内側の保護管46の底部
に付加的な開口49が設けられている。 シール装置28のプレス時のセンサ素子の損傷を回避す
るためには、付加シールリング31又は付加シールディス
ク44のために、フィンガプローブ16のカバー層18′の硬
度若しくはプレートプローブ36に使用されたセラミック
の硬度よりも小さな硬度を有した延性の材料を使用する
ことができる。
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(72)発明者 ヴァイル，ヘルムート
ドイツ連邦共和国 Ｄ―71701 シュヴ
ィーバーディンゲン ペーター フォン
コブレンツ シュトラーセ 34
(72)発明者 フリース，ロムアルト
ドイツ連邦共和国 Ｄ―71287 ヴァイ
スアッハ ヘルデルリンシュトラーセ
45―１
(72)発明者 ヴィーデンマン，ハンス−マルティン
ドイツ連邦共和国 Ｄ―70195 シュツ
ットガルト ブルックナーシュトラーセ
20
(72)発明者 ハンス，アントン
ドイツ連邦共和国 Ｄ―71640 ルート
ヴィッヒスブルク ロートボイムレシュ
トラーセ 21
(56)参考文献 実開 平２−146362（ＪＰ，Ｕ)
実開 昭62−176755（ＪＰ，Ｕ)
***国特許出願公開2350253（ＤＥ,
Ａ１)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01N 27/409
G01N 27/41
G01N 27/419
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】ガスセンサのセンサ素子のためのシール装
置であって、センサ素子（16;36）が、ケーシング（1
1）の長手方向孔（14）の内部でシールされており、該
長手方向孔（14）の内部で２つのシール体（29,30;42,4
3）の間に変形可能で粉末状の付加シール（31;44）が配
置されている形式のものにおいて、前記シール体（29,3
0;42,43）が、前焼結されたセラミックのシールリング
（29,30;42,43）であって、これらのシールリング（29,
30;42,43）が、付加シール（31;44）と共に前記長手方
向孔（14）の内部でプレス可能であり、プレス時に前記
付加シール（31;44）が、前記センサ素子（16;36）がギ
ャップなしで前記長手方向孔（14）の内部に配置される
ように変形し、前記付加シール（31;44）が、前記両シ
ール体（29,30;42,43）よりも小さな多孔度を有してい
ることを特徴する、ガスセンサのセンサ素子のためのシ
ール装置。
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