JP4317191B2

JP4317191B2 - 測定センサ

Info

Publication number: JP4317191B2
Application number: JP2005518514A
Authority: JP
Inventors: ルートユルゲン; ペシュアンドレアス
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2004-02-09
Publication date: 2009-08-19
Anticipated expiration: 2024-02-09
Also published as: JP2006519360A; US20070012087A1; US7377149B2; WO2004086023A1; EP1611436A1

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の測定ガス、特に内燃機関の排ガスの物理特性、特にガス成分の濃度または測定ガスの温度を特定するための測定センサに関する。

背景技術
公知のガス測定センサ（ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０１３２８２８号明細書）では、少なくとも１つのコンタクト面と少なくとも１つの導体素子との間のコンタクトは、コンタクトホルダによって形成され、コンタクトホルダは、ばねエレメントによって、少なくとも１つの導体素子をコンタクト面に押圧する。少なくとも１つの導体素子は、クランプ結合部を介して接続ラインに接続されており、接続ラインによって、センサ素子が電子装置に接続可能であり、これについてはドイツ連邦共和国特許出願公開第１９５４２６５０号明細書に記載されている。

発明の利点
本発明による、請求項１の特徴部に記載の構成を備えた測定センサの利点によれば、溶接結合部は、最適な電気接触抵抗を保証し、かつ経済的な製造を実現する。絶縁性のセラミック質量体に埋め込むことによって、溶接結合部は機械的に分離され、これによって排ガスセンサとして車両の内燃機関に使用される際に生じるような振動負荷の影響を受けにくくなっている。これによって達成される、測定センサの、比較的大きな機械強さに基づいて、耐用寿命は著しく改善される。埋込は、圧入、または絶縁材料もしくは粉体充填物の流込によって達成される。

別の請求項に記載の構成によって、請求項１に記載した測定センサの有利な実施形態および改良形が実現される。

本発明の有利な実施形態によれば、セラミック質量体は、測定センサを形成する際に圧縮性の粉体充填物としてケーシングに供給されて、センサ素子とケーシング内壁との間の空間を充填する。粉体材料として、有利には酸化マグネシウム（ＭｇＯ）が用いられる。圧入または流込のために、セラミック流込材料が有利である。選択的にセラミック接着剤、ステアタイトまたは酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を用いることができる。

本発明の有利な実施形態では、溶接結合部が、抵抗溶接によって形成される。有利には白金または白金サーメットから成るコンタクト面との、有利にはニッケル（Ｎｉ）から製作される導体素子の溶接は、溶接レーザを用いて行うこともできる。

本発明の有利な実施形態によれば、ケーシングに、ケーシング横断面にわたって設けられたディスク受け部が取り付けられており、ディスク受け部を通って、少なくとも１つの導体路が案内されている。ケーシングに、センサ素子を溶接結合部の領域で包囲する貫通孔を備えた、ケーシング横断面を充填する閉鎖部材が圧入されており、ディスク受け部と閉鎖部材との間の中間室、ならびにセンサ素子と貫通孔の壁との間の中間室は、完全にセラミック流込材料および／またはセラミク接着剤で充填される。このような実施形態の利点によれば、測定センサの構造化に際して、セラミック流込材料もしくはセラミック接着剤の導入によって、溶接結合部の最適な絶縁性の包囲およびセンサ素子の最適なガス密の閉鎖が生じる。この場合セラミック流込材料またはセラミク接着剤の導入は容易である。なぜならば充填管片の位置に関する高い精度要求が課せられないからである。セラミック流込材料またはセラミック接着剤は、高い量的な許容誤差で導入することができる。なぜならば余剰の質量体は、閉鎖部材の差込に際して、閉鎖部材の貫通孔を介して、閉鎖部材とディスク受け部との間の中間室から押し出され、必要な場合閉鎖部材の自由端面で除去できるからである。セラミック流込材料またはセラミク接着剤の、貫通孔から流出する量に基づいて、シールに関する利点が得られる。セラミック流込材料もしくはセラミック接着剤が、溶接結合部を閉鎖部材に向かってシールし、かつ閉鎖部材とディスク受け部との間の中間室をケーシングに向かってシールするので、窒化ホウ素ディスクの介在する２つのステアタイトディスクから成る従来慣用のシールシステムは省略することができ、その結果測定センサの、軸方向でみて短い構造形式が達成される。そのようなシール配置構造は、たとえばセンサ素子の振動を低減するために、センサ素子を追加的に硬化するよう所望される場合に設けられている。

本発明の有利な実施形態では、センサ素子のための、閉鎖部材に設けられた貫通孔は、溶接結合部の領域において、センサ素子の横断面形状に適合された内法の横断面を有しており、この場合内法の横断面は、ディスク受け部に向いた側の端面から出発して、閉鎖部材の、ディスク受け部とは反対側の端面に向かって漸次減少している。貫通孔の先細形状によって、閉鎖部材の圧入によって行われる、セラミック流込材料および／またはセラミク接着剤の分配に際して、絞り効果が及ぼされ、この場合セラミック流込材料もしくはセラミク接着剤は、先ず半径方向で均等に分配され、次いで閉鎖部材が押し込まれるにつれ、貫通孔を通って次第に押し出される。

少なくとも１つのセンサ素子と結合された導体路の、ケーシングからのガス密な導出案内を形成するための測定センサの前組付は、次の方法ステップで行われる。

ディスク受け部を通って少なくとも１つの導体素子を案内し、ディスク受け部をケーシングに固定し、閉鎖部材をセンサ素子に被せ嵌め、センサ素子を端部でディスク受け部の袋穴に差し込み、ディスク受け部から突出する少なくとも１つの導体素子を、センサ素子におけるコンタクト面に溶接する。次いで規定量のセラミック流込材料および／またはセラミク接着剤をディスク受け部に向かって所与し、閉鎖部材をセンサ素子に沿ってディスク受け部に向かって移動し、それも閉鎖部材の端面とディスク受け部との間に、比較的小さな中間室しか残存しないように移動し、中間室の軸方向の深さを、閉鎖部材に設けられた所定のスペーサ部材によって規定する。閉鎖部材とディスク受け部との間の中間室で、セラミック流込材料もしくはセラミック接着剤は、ケーシングに対して閉鎖部材およびディスク受け部をシールする。ディスク受け部の袋穴は、配線のための貫通孔を有している。

実施例の説明
次に図面につき本発明の実施例を詳しく説明する。

図１に縦断面図で示した測定センサは、測定ガスの物理特性を特定するのに役立つ。物理特性とは、ガス成分の濃度または測定ガスの温度である。有利にはこのような測定センサは、車両の内燃機関において排ガスセンサとして使用され、排ガスセンサは、内燃機関の排ガス中の酸素濃度（ラムダセンサ）または排ガスの温度（温度センサ）を測定する。

測定センサは、ケーシング１１を備えており、ケーシング１１にセンサ素子１２が収容されており、センサ素子１２は、測定ガス側の端部区分で、ケーシング１１から突出していて、測定ガスにさらされている。接続側の端部区分１２１で、センサ素子１２は、それぞれ反対側の表面に、白金または白金サーメットから成る複数のコンタクト面１３を備えており、コンタクト面１３は、測定ガス側の端部区分に通じる電気的な導体路（図示していない）と結合されている。この実施例では２つのコンタクト面１３を図示した。センサ素子１２は、両方の端部区分の間に位置するシール構造体１７を貫通案内されており、シール構造体１７は、センサ素子１２をケーシング１１に沿って支持していて、かつ機械的に振動を減衰して、接続側の端部区分１２１を測定ガスに対してシールする。公知の形式では、シール構造体１７は、たとえばステアタイトから成る２つのセラミック成形部分１４，１５から形成されており、セラミック成形部分１４，１５の間にたとえば窒化ホウ素から成るシールエレメント１６が緊締されている。

電子制御装置にセンサ素子１２を接続するために、各コンタクト面１３に導体エレメント１８がコンタクトされており、導体エレメント１８は、電子制御装置に通じる接続ラインと接続された接続コネクタに向かって案内されており、これについてはたとえばドイツ連邦共和国特許第１９５２３９１１号明細書に記載されている。導体エレメント１８は、有利にはニッケル（Ｎｉ）から成っている。最小の接触抵抗を有する電気コンタクトを形成するために、導体エレメント１８は、これに対応配置されたコンタクト面１３に溶接されており、この場合溶接法として、抵抗溶接が有利であるが、レーザ溶接を用いることもできる。

ケーシング１１にセンサ素子１２を組み込む際に、センサ素子１２は、溶接結合領域でセラミック質量体１９に埋め込まれ、セラミック質量体１９は、センサ素子１２の接続側の端部区分１２１を包囲して、ケーシング１１の内壁に支持されている。この実施例では、圧縮性で耐熱性の粉体充填物への埋め込みが行われ、粉体充填物は、センサ素子１２の接続側の端部区分１２１とケーシング１の内壁との間の空間をシール構造体１７に向かって完全に充填する。粉体として有利には酸化マグネシウム（ＭｇＯ）が用いられる。セラミックの質量体１９への埋め込みは、流込または圧入によって行うこともできる。この場合材料として、セラミック流込材料、セラミック接着剤またはステアタイトもしくは酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）が用いられる。

セラミック質量体１９は、ケーシング端部に向かって、周囲でケーシング１１の内壁に沿って支持された絶縁ディスク２０によって覆われており、絶縁ディスク２０を通って導体素子１８が案内されている。絶縁ディスク２０は、有利には酸化アルミニウムから成っている。ケーシング１１は、端部側で絶縁ディスク２０に沿って縁曲げされているので、絶縁ディスク２０は軸方向で固定されている。シール構造体１７の、測定ガス側の端部区分に向いた面に別の絶縁ディスク２１が配置されており、別の絶縁ディスク２１はセンサ素子１２を包囲して、かつ周囲でケーシング１１の内壁に接触している。

絶縁性のセラミック質量体１９は、付加的にシール機能を有していて、かつセンサ素子１２の接続側の端部区分１２１を排ガスに対してシールするので、セラミック質量体１９として、前述の粉体充填物ではなく、前述のように圧入または流込材料が使用される場合、シール構造体１７は、たとえばシール構造体１７の構成要素１５，１６を省略して簡素化することができる。

別の実施例による、図２に断面図で示した測定センサは、ケーシング１１を備えており、ケーシング１１に、端部側で、管状の、有利には可撓性の接続部材２３が差し込まれており、接続部材２３内で、導体素子１８が、接続部材２３を閉鎖する接続コネクタに向かって案内されている。接続部材２３に、該接続部材２３の、ケーシング１１に進入する管端部に対して軸方向間隔を有して、ディスク受け部２４が挿入されており、ディスク受け部２４を通って導体素子１８が案内されている。導体素子１８は、図１の実施例と同様に、溶接結合によって、電気的かつ機械的に、センサ素子１２の接続側の端部区分１２１の、互いに反対側に位置する大きな面に設けられたコンタクト面１３に固定されている。ディスク受け部２４は、ケーシング内室に向かって開放する中央の袋穴２５を備えており、袋穴２５の内法の横断面は、センサ素子１２の横断面に相当するので、センサ素子１２の端部は、極めて小さなギャップ間隔で袋穴２５に形状接続（formschluessig；形状による束縛）式に進入することができる。袋穴２５は、貫通孔（図示していない）を備えており、貫通孔を通って、センサ素子１２の接続側の端部区分１２１が周囲環境と接続されている。ケーシング１１と接続部材２３とは、溶接シーム２２または周方向で延びるかしめによって相互結合されている。

ケーシング１１には、ケーシング１１の内法の横断面を充填する閉鎖部材２６が挿入されており、閉鎖部材２６は中央の貫通孔２７を備えている。円筒形の閉鎖部材２６は、それぞれ異なる直径を有する２つの円筒区分２６１，２６２を有している。閉鎖部材２６は、比較的小さな直径を有する円筒区分２６２で、接続部材２３の、ケーシング１１に進入する管区分にギャップなしに差し込まれていて、かつ比較的大きな直径を有する円筒区分２６１で、ケーシング１１の内壁に押し付けられている。ディスク受け部２４に向いた側の端面で、閉鎖部材２６は、２つのスペーサエレメント２８を備えており、スペーサエレメント２８は、ディスク受け部２４に支持されているので、図２に示した閉鎖部材２６の挿入状態で、ディスク受け部２４と比較的小さな直径を有する円筒区分２６１との間に最小の中間室２９が残存するよう保証されている。閉鎖部材２６の図示の挿入状態では、貫通孔２７は、コンタクト面１３およびコンタクト面１３に溶接された導体素子１８の領域でセンサ素子１２を包囲する。図３に示したように、貫通孔２７の内法の横断面は、センサ素子１２の形状に適合されていて、かつこの実施例では矩形である。ここでは貫通孔２７は、閉鎖部材２６の、ディスク受け部２４に向いた側の端面から出発して、閉鎖部材２６の、この端面とは反対側の端面に向かって先細に形成されている。

ケーシング１１から導体素子１８をガス密に案内する実施例を形成するための測定センサの組付について、以下の方法ステップが行われる。

ディスク受け部２４の挿入された接続部材２３と、ディスク受け部２４を通って案内される導体素子１８とが、完全に前組付される。センサ素子１２が、ディスク受け部２４の袋穴２５に差し込まれ、ディスク受け部２４から突出する導体素子１８が、センサ素子１２のコンタクト面１３に溶接される。センサ素子１２と接続部材２３とがケーシング１１に挿入され、ケーシング１１と接続部材２３とが互いに溶接される。この時点で規定量のセラミック流込材料３１（選択的にセラミック接着剤３１）が、ディスク受け部２４に向かって保護管２３に提供される。次いでセンサ素子１２に被せ嵌められた閉鎖部材２６が、比較的小さな直径を有する円筒区分２６２で、接続部材２３の管端部に差し込まれる。差込圧力によって、先ず閉鎖部材２６とディスク受け部２４との間の中間室２９においてセラミック流込材料３１の半径方向の均等な分配が生じる。中間スペース２９が最大限充填されると、次第にセラミック流込材料３１は貫通孔２７に向かって進入して、先細に形成された貫通孔２７の絞り作用に基づいて、次第に増加する差込圧力で、最終的に閉鎖部材２６の、ディスク受け部２４とは反対側の端面で貫通孔２７から押し出される。円筒区分２６１，２６２間に形成されたリング肩部２６３が、接続部材２３の、リング状の端面に当接して、遅くともスペーサエレメント２８がディスク受け部２４に接触すると、直ちに接続部材２３への閉鎖部材２６の差込が終了される。ディスク受け部２４に形成された袋穴２５とセンサ素子１２との間に残存するギャップにセラミック流込材料３１が進入するのを防止するために、ディスク受け部２４の、閉鎖部材２６に向いた側の端面に、センサ素子１２を密に包囲するシールエレメント３２が敷設されている。シールエレメント３２は、たとえばセンサ素子１２の貫通領域でスリットの形成された、小さな丸いガラス繊維マットであってよい。セラミック流込材料３１のコンシステンシーに基づいて、セラミック流込材料３１の乾燥を回避する必要がある場合、閉鎖部材２６は湿潤状態で組み付けられる。

測定センサの１実施例を概略的に示す縦断面図である。測定センサの別の１実施例を概略的に示す縦断面図である。図２に示した測定センサの閉鎖部材を示す斜視図である。

符号の説明

１１ケーシング、１２センサ素子、１３コンタクト面、１４，１５セラミック成形部、１６シールエレメント、１７シール構造体、１８導体素子、１９セラミック質量体、２０絶縁ディスク、２１絶縁ディスク、２２溶接シーム、２３接続部材、２４ディスク受け部、２５袋穴、２６閉鎖部材、２７貫通孔、２８スペーサエレメント、２９中間室、３２シールエレメント、１２１端部区分、２６１，２６２円筒区分、２６３リング肩部

Claims

測定ガスの物理特性を特定するための測定センサであって、
ケーシング（１１）が設けられており、該ケーシング（１１）に収容されたセンサ素子（１２）が設けられており、該センサ素子（１２）が、ケーシング（１１）から突出する測定ガス側の端部区分で、測定ガスにさらされていて、かつ接続側の端部区分（１２１）で、少なくとも１つのコンタクト面（１３）を備えており、少なくとも１つのコンタクト面（１３）とコンタクトされた少なくとも１つの導体素子（１８）が設けられており、コンタクト面（１３）と導体素子（１８）とが、溶接によって互いに結合されていている形式のものにおいて、
コンタクト面（１３）と導体素子（１８）とが、少なくとも溶接結合領域で、絶縁性のセラミック質量体（１９）に埋め込まれており、該セラミック質量体（１９）が、接続側の端部区分（１２１）を包囲して、ケーシング（１１）の内壁またはケーシング（１１）の内法の横断面を充填する閉鎖部材（２６）に支持されていることを特徴とする、測定ガスの物理特性を特定するための測定センサ。
コンタクト面（１３）と導体素子（１８）との間の溶接結合部が、抵抗溶接またはレーザ溶接によって形成されている、請求項１記載の測定センサ。
少なくとも１つのコンタクト面（１３）が、白金または白金サーメットから成っている、請求項１または２記載の測定センサ。
少なくとも１つの導体素子（１８）が、ニッケルから成っている、請求項１から３までのいずれか１項記載の測定センサ。
絶縁性のセラミック質量体（１９）が、ケーシング（１１）の内壁とセンサ素子（１２）の接続側の端部区分（１２１）との間の空間を充填する圧縮性の粉体充填物である、請求項１から４までのいずれか１項記載の測定センサ。
粉体充填物として、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）が用いられるようになっている、請求項５記載の測定センサ。
セラミック質量体（１９）によるコンタクト面（１３）と導体素子（１８）との埋込部が、セラミック質量体（１９）の圧入によって形成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の測定センサ。
絶縁性のセラミック質量体（１９）として、セラミック流込材料、セラミック接着剤、ステアタイトまたは酸化アルミニウム（Ａｌ _２Ｏ _３）が用いられるようになっている、請求項７記載の測定センサ。
セラミック質量体（１９）が、外側端面で、ケーシング（１１）の内壁に沿って周囲で支持された閉鎖ディスク（２０）によって覆われており、該閉鎖ディスク（２０）を通って、少なくとも１つの導体素子（１８）が案内されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の測定センサ。
ケーシング（１１）が、閉鎖ディスク（２０）に沿って縁曲げされている、請求項９記載の測定センサ。
絶縁性のセラミック質量体（１９）が、内側の端面で、センサ素子（１２）を包囲するシール構造体（１７）によって制限されており、該シール構造体（１７）が、ケーシング（１１）の内壁に沿ってガス密に支持されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の測定センサ。
シール構造体（１７）の、セラミック質量体（１９）とは反対側に、別の絶縁ディスク（２１）が配置されており、該別の絶縁ディスク（２１）が、センサ素子（１２）を包囲していて、かつケーシング（１１）に支持されている、請求項１１記載の測定センサ。
ケーシング（１１）にディスク受け部（２４）が取り付けられており、該ディスク受け部（２４）を通って、少なくとも１つの導体素子（１８）が案内されており、
ケーシング（１１）に、センサ素子（１２）をコンタクト面（１３）と導体素子（１８）との溶接結合領域で包囲する貫通孔（２７）を備えた、内法のケーシング横断面を完全にまたは部分的に充填する閉鎖部材（２６）が圧入されており、
ディスク受け部（２４）と閉鎖部材（２６）との間の中間室（２９）、ならびにセンサ素子（１２）と貫通孔（２７）の壁部との間の中間室（３０）に、セラミック流込材料（３１）および／またはセラミック接着剤（３１）が充填されている、請求項７記載の測定センサ。
センサ素子（１２）のための貫通孔（２７）が、センサ素子（１２）の横断面形状に適合された横断面を有していて、かつ閉鎖部材（２６）の、ディスク受け部（２４）とは反対側の端部に向かって先細に形成されている、請求項１３記載の測定センサ。
ディスク受け部（２４）が、センサ素子（１２）の端部を形状接続式に収容する袋穴（２５）を有している、請求項１３または１４記載の測定センサ。
閉鎖部材（２６）が、ディスク受け部（２４）に向いた側の端面で、ディスク受け部（２４）に閉鎖部材（２６）を支持するための、軸方向で突出する少なくとも１つのスペーサエレメント（２８）を備えている、請求項１３から１５までのいずれか１項記載の測定センサ。
ケーシング（１１）に、端面側で、ケーシング（１１）と不動に結合された管状の接続部材（２３）の管区分が進入しており、ディスク受け部（２４）が、接続部材（２３）の管区分に、管端部から間隔を有して挿入されており、閉鎖部材（２６）が、少なくとも部分的に管端部に圧入されている、請求項１３から１６までのいずれか１項記載の測定センサ。
ディスク受け部（２４）の、閉鎖部材（２６）に向いた側の端面に、センサ素子（１２）を密に包囲するシールエレメント（３２）が設けられている、請求項１３から１７までのいずれか１項記載の測定センサ。
センサ素子（１２）を密に包囲するシールエレメント（３２）が、ガラス繊維マットである、請求項１８記載の測定センサ。
請求項１６記載の測定センサを前組付する方法において、
導体素子（１８）に溶接されたセンサ素子（１２）の差し込まれた袋穴（２５）有する、ケーシング（１１）内で固定されたディスク受け部（２４）に、規定量のセラミック流込材料（３１）および／またはセラミック接着剤（３１）を所与し、
閉鎖部材（２６）を、センサ素子（１２）に沿ってケーシング（１１）内でディスク受け部（２４）に向かって移動し、それもディスク受け部（２４）と閉鎖部材（２６）との間に、セラミック流込材料（３１）および／またはセラミック接着剤で充填される中間室（２９）が残存する範囲で移動し、中間室（２９）の軸方向の最小深さが、少なくとも１つのスペーサエレメント（２８）によって特定されるようにすることを特徴とする、測定センサを前組付する方法。