【発明の詳細な説明】
ガス濃度測定用センサ発明の属する技術分野
この発明は、一端が閉じられてその外側に電気センサ接触子が配置され、閉じ
られた端に相対する他の端がケーシング内に収容された小型管と、ケーシングと
小型管の間で小型管を囲む気密法で封止された隙間を含む、ガス混合物中のガス
濃度を測定するためのセンサに関する。従来の技術
そのようなガスセンサは、米国特許第３，９６０，６９３号から明らかになる
。触媒として働く層を含む小型管は、測定されるガスに向く端では閉じており、
他の端では開いている。小型管は開放端においてより厚く、ケーシング内に固定
されている。このケーシングは、測定されるガスを内蔵するチャンバ（例えば内
燃エンジン）の内壁の開口部にねじ込まれる。小型管の内側は、周囲の大気（即
ち基準ガス）に通じている。隙間はケーシングと小型管の間のケーシング内部で
封止されているので、２つの異なるガスは互いに分離している。シールは、例え
ば、スパークプラグで通常使用されるような金属リングで作られる。この種のガ
ス測定は、通常は高温（内燃エンジンの場合、およそ１５０℃から５００℃まで
）で実行される。耐熱性のために金属で作られるケーシングは、従って、導電的
に小型管（即ちセンサ接触子）に接続される。これはケーシングが測定回路に一
体化されることを意味し、センサは所謂モノセンサである。燃焼ガスの測定の間
、シールはかなり熱せられるセンサ列の領域内にあり、シールは異なる膨張を確
実には保証できないので、ケーシングと小型管の異なる膨張係数が漏れを起こす
かもしれず、従って、測定が不正確になり得る。センサ接触子の電気的接続もこ
の高温領域内に保たれ、接触子材料は高動作温度で酸化する傾向があるので、セ
ンサ接触子の電気的接続は相当な費用での高い信頼性によってのみ実現できる。
シールと小型管（通常は固体電解質で作られている）との高温接触は、更に、寄
生電圧（ゆっくりした酸化、またはシールの劣化は制御できないので、寄生電圧
の振幅は時間と共に大きく変化する）を生じさせる。これは、センサ特性のドリ
フトの相当な悪化を生じさせる。類似のセンサが、ヨーロッパ特許第５２０，５
２８号からも明らかになる。
わずかに異なる装置が、固体電解質化学電池として米国特許第３，３９９，２
３３号から明らかになる。この場合は、その上、測定回路が金属ケーシングと一
体化している。２つの液体の間で測定が行われるので、この場合ガスの封止は必
要ない。
異なる種類のガスセンサが、ヨーロッパ特許第３９８，５７９号から明らかに
なる。この場合、平面センサ素子が円筒形の金属ケーシングの内側に備えられ、
固定と封止のためのセラミック粉末がセンサとケーシングの間に提供される。セ
ンサ素子とケーシングの形状の違い、材料の膨張係数の相違、更に加熱が原因で
漏れが起こり得る。特に、測定されるガスチャンバについての封止は問題が多い
。それとは別に、センサ素子が、動作中に起こる振動により容易に損害を受け得
る。発明が解決しようとする課題
上記の従来技術より、本発明は、高い動作温度においても測定されるガスと基
準ガスの間の信頼できる封止を保証し、それを用いてケーシングから電気的に絶
縁された複数のセンサ接触子を同時に実現する、ドリフト特性を損なう寄生電圧
が発生しない、一般的型式によるセンサを提供する目的に基づく。課題を解決するための手段
本発明により、請求の範囲１の包括的な節によるセンサの目的は、ケーシング
と小型管を囲む気密封止がケーシングと小型管の間で、閉じた端に相対し小型管
の低温端または低温領域に相当する端において提供されることと、小型管の外側
で少なくとも１つの電気センサ接触子がケーシングから電気的に絶縁されて提供
されることと、少なくとも１つのセンサ接触子が、封止された端に相対する、小
型管の閉じた端に通じて導電体に接続されることにおいて達成される。せいぜい
わずかしか加熱されず、好ましくは電気絶縁封止に使用される弾性材料が損害を
受けずに弾性を維持するように、低温端または小型管の低温領域は測定されるガ
スの入ったチャンバの外側に取り付けられ、測定されるガスの入ったチャンバか
ら十分遠くに移動させられる。実際に必要な距離は少数回の試験と測定の両方、
またはどちらか一方により容易に決定できる。センサ接触子のリード線に対する
接続もそのような低温領域内で同様に生じ、ここでは、高温が原因の接触子にお
ける酸化の発生が避けられる。この場合、実際に使用される材料の異なる膨張係
数は何の役割もせず、特に弾性シールが実際には熱応力を発生しない場合、高い
封止効果が達成できる。更に、低温領域での電気絶縁シールの使用により、従来
の金属シール（高温領域内に位置する）と固体電解質（小型管）の間の接触子領
域内の寄生電圧及び電気化学的電圧の発生を回避できる。更に、センサの干渉の
高い自由度が達成されるように、回転中の自動車エンジンまたはその排気システ
ムがセンサに伝わらない時、振動が起こることがわかった。従来、電気的配線は
センサ接触子に溶着またはハンダ付けできるか、弾性リングによりセンサ接触子
に圧着できるかの両方またはどちらか一方である。この方法で、信頼できる接触
子の構成が容易に達成できる。
都合の良いことには、複数のセンサ接触子が小型管の外側に備えられ、その内
１つ以上のセンサ接触子が加熱接触子として使用できる。これは、小型管に押し
込まれた既知の装置内の別の加熱素子の使用を回避する。これにより、ヒータの
効率と反応速度が上昇する。
便利なことには、少なくとも１つの電気接触子を小型管の内側に備えることが
できる。本発明の好ましい実施例では、小型管は円筒形状に作られ、従って、非
常に容易に製造できる。更に、ケーシングとセンサ接触子の間の小型管上に電気
的絶縁層を備えることは都合が良い。更に、小型管の少なくとも一部分が、少な
くとも１つのセンサ接触子に接続された固体電解質材料を含むことが可能である
。また、固体電解質材料で小型管全体を形成することも可能である。その上、小
型管の外側の少なくとも一部分が、ガス濃度に依存する電気抵抗を有する材料か
ら作られることも可能である。低温領域を効率的に冷却するために、冷却リブを
ケーシングの外側に並べることは便利である。図面の簡単な説明
図１ センサ接触子を備えた、センサの小型管である。
図２ センサの断面である。
図３ センサの略図である。
図４ センサの他の断面である。
図５ 組立要素の構成である。発明の実施の形態
図１は、センサの小型管を示す。小型管１は円筒形状で、その一端で閉じてい
る。それは電気絶縁材料（例えば、酸化アルミニウム、固体電解質材料、二酸化
ジルコニウム）から作られている。それは、また、その外側が電気的に絶縁であ
る他の材料からも作られる。ガスセンサ２は、小型管１の外側に能動素子として
備えられる。更に、電気ヒータ３が小型管１上に取り付けられる。これら電気セ
ンサ接触子（即ちガスセンサ２、ヒータ３）上に、薄いがガス透過性で、例えば
排気成分によるガスセンサ２の汚染を回避する、電気絶縁層４が取り付けられる
。小型管１に沿って配置された電気センサ接触子２、３は小型管１の開放端で終
わり、所謂外部電極５に通じ、外部電極５を経由して小型管１に電気的に接続さ
れる。小型管１の開放端の表面において接触リング６が備えられ、接触リング６
は電気接触子７との接触の形成に役立つ。もし、ガスセンサ２が基準ガスで機能
する電気化学センサである場合、この電気接触子７が必要である。この場合、基
準ガスは小型管１内にあり、基準ガスは、例えば、周囲の空気と一致する。小型
管１は、図２に示されるように、ケーシング８に収容される。（その先端で小型
管１の閉じた端を保持する）ケーシング８は測定されるガスが通るガス開口部９
を有し、ガスセンサ２に至る。小型管１の閉じた端の領域内では、ケーシング８
は雄型ネジ１１のついたナット１０を有し、それによって測定されるガスを保持
するチャンバの壁面にセンサをねじ込むことが出来る。内燃エンジンの状況にお
いて、このチャンバは、例えば、（自動車の）排気システムであり得る。シール
１２が、更に、ナット１０に備えられても良い。
小型管１は、その閉じた端の表面を経由して、ケーシング８の対応する端に接
触し、スプリング１３によりこの端に押しつけられる。電気センサ接触子（ガス
センサ２及びヒータ３）がケーシング８と電気的な接触を有しないように、小型
管１はケーシング８の壁面から離される。弾性耐熱プラスチックのＯリング１４
（例えばテフロンまたはビトン）が、ガスシールとして役立つために備えられる
。例えば周囲の空気がエンジンの排気ヒュームからの分離を維持するように、こ
のＯリングはケーシング８を囲む大気に対して測定されるガスのガスチャンバの
シールとして役立つ。Ｏリング１４は、更に、ケーシング８内の小型管１の位置
を安定させ、小型管１とケーシング８の電気接触子２、３の電気的絶縁を保持す
る。Ｏリング１４は、更に、ケーシング８からの振動が小型管１に伝達されるこ
とを回避し、わずかに加熱されて熱応力が起こるはずが無い時でさえ、小型管１
とケーシング８の間の異なる膨張係数を相殺する。更に、Ｏリング１５は外部電
極５と接続リード線１６の接触を確立する。Ｏリング１５も弾性耐熱プラスチッ
クから作られる。信頼出来る接触が保証されるように、接続リード線１６はＯリ
ング１５によって確実に外部電極５に圧着される。接続リード線１６を外部電極
５に溶着すること、または接続リード線１６を取り付けたプラグを小型管１上に
配置し、外部電極５に差し込んで接触させることも可能である。
加えて生み出された応力でクリンプ加工部材１７により小型管１がケーシング
８内部に確実に保持されるように、Ｏリング１５はＯリング１４に対してクリン
プ加工部材１７により圧縮される。圧縮部材１７は（耐熱プラスチックの）ワッ
シャ１９を通してナット１８によりＯリング１４、１５に対して圧縮され、Ｏリ
ング１４はケーシング８のストップ面に対して圧縮される。ナット１８はケーシ
ング８内部の封止に役立ち、接続リード線１６、２０はこのナットを通過する。
接続リード線１６、２０はワッシャ１９により中心に位置させられ、圧縮部材１
７を通してケーシングの内部に導入される。組立てた後、接続リード線２０は、
小型管１内部で接続リード線２０が電気接触子７に接触するように接触リング６
に対する導電性を支持するスプリング１３と電気的接続を有する。圧縮部材１７
、ナット１８、及びワッシャ１９のこの配置は、拡大され異なる視点から図５に
示されている。
得られた上記の利点を有するＯリング１４、１５としてのプラスチックシール
の使用は、センサの動作温度においてさえ著しくは加熱されない、即ちプラスチ
ックが弾性を失わないまでだけ加熱される、ケーシング８の領域内で可能である
。測定されるガスの温度により、この領域は少なくとも約２ｃｍ、測定されるガ
スのチャンバを密封するのは、特にシール１２から４〜６ｃｍの距離である。Ｏ
リング１４、１５は、通常、Ｏリング１４、１５の材料を恒久的に使用出来る程
度にしか温度が高くならない領域内に適合される。冷却効果を高めるために、冷
却リブ２１がケーシング８の外側に配置される。この方法で、Ｏリング１４、１
５と小型管１の閉じた端の間の距離を減少させることが出来る。冷却リブ２１の
数と形状、及びケーシング８の長さは、Ｏリング１４、１５が適合する小型管１
の所謂低温端がＯリング１４、１５が損傷を受けずその機能を失わない温度まで
しか加熱されないことを保証するために、測定されるガスの温度に依存して選択
できる。
冷却リブの配置も図３、図４に示されており、図４は図２とわずかに異なるセ
ンサの縦断面図を示す。
本発明によるセンサは非常に単純で、従って費用対効果の高い設計である。本
発明によるセンサは低干渉で、１つのケーシングに複数のセンサを収容する機能
と組み合わせやすく、従って、取扱いが安全である。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sensor for measuring gas concentration, in which one end is closed and an electric sensor contact is arranged outside the other end, and the other end facing the closed end is inside a casing. The invention relates to a sensor for measuring the gas concentration in a gas mixture, including a small tube housed in a gas turbine, and a gas-tightly sealed gap surrounding the small tube between the casing and the small tube. Prior art Such a gas sensor is apparent from U.S. Pat. No. 3,960,693. The mini-tube containing the catalytic layer is closed at the end facing the gas to be measured and open at the other end. The miniature tube is thicker at the open end and is fixed in the casing. This casing is screwed into an opening in the inner wall of a chamber containing the gas to be measured (eg an internal combustion engine). The inside of the small tube communicates with the surrounding atmosphere (ie, reference gas). Since the gap is sealed inside the casing between the casing and the small tube, the two different gases are separated from each other. The seal is made, for example, of a metal ring as commonly used in spark plugs. This type of gas measurement is usually performed at high temperatures (approximately 150 ° C. to 500 ° C. for internal combustion engines). A casing made of metal for heat resistance is therefore conductively connected to the miniature tubing (ie the sensor contacts). This means that the casing is integrated in the measuring circuit, the sensor being a so-called monosensor. During the measurement of the combustion gases, the seals are in the region of the sensor array, which is considerably heated, and the seals cannot guarantee a different expansion, so that different coefficients of expansion of the casing and the miniature tubing may cause a leak, and therefore the measurement Can be incorrect. The electrical connections of the sensor contacts are also kept within this high temperature range, and the electrical connection of the sensor contacts is only achieved with high reliability at a considerable cost, since the contact material tends to oxidize at high operating temperatures it can. The high temperature contact between the seal and the miniature tubing (usually made of solid electrolyte) also adds to the parasitic voltage (the amplitude of the parasitic voltage can change significantly over time, as slow oxidation or degradation of the seal cannot be controlled). Cause. This causes a considerable deterioration of the drift of the sensor characteristics. A similar sensor will be apparent from EP 520,528. A slightly different device emerges from US Pat. No. 3,399,233 as a solid electrolyte chemical cell. In this case, moreover, the measuring circuit is integrated with the metal casing. Since the measurement is made between two liquids, gas sealing is not required in this case. Different types of gas sensors will become apparent from EP 398,579. In this case, the planar sensor element is provided inside a cylindrical metal casing, and ceramic powder for fixing and sealing is provided between the sensor and the casing. Leakage can occur due to differences in the shape of the sensor element and the casing, differences in the coefficients of expansion of the materials, and heating. In particular, sealing the gas chamber to be measured is problematic. Alternatively, the sensor element can be easily damaged by vibrations that occur during operation. From the prior art described above, the present invention ensures a reliable seal between the measured gas and the reference gas even at high operating temperatures and uses it to electrically insulate it from the casing. The present invention is based on an object of providing a sensor of a general type, which realizes a plurality of sensor contacts described above at the same time and does not generate a parasitic voltage that impairs drift characteristics. By means present invention to solve the problems, an object of the sensor according to a comprehensive clause of claim 1, wherein the between hermetic seal casing and a small tube which surrounds the casing and small tubes, phase against the closed end Being provided at the cold end or end corresponding to the cold region of the miniature tube, at least one electrical sensor contact being provided electrically insulated from the casing outside the miniature tube, and at least one sensor This is achieved in that the contacts are connected to the electrical conductor through the closed end of the miniature tube, opposite the sealed end. The cold end or the cold region of the miniature tube should be close to the chamber containing the gas to be measured, so that it is heated only at most and preferably the elastic material used for the electrical insulation seal remains elastic without damage. Mounted on the outside and moved far enough from the chamber containing the gas to be measured. The actual distance required can be easily determined by a small number of tests and / or measurements. The connection of the sensor contacts to the leads also takes place in such a low temperature region, in which oxidation of the contacts due to high temperatures is avoided. In this case, the different coefficients of expansion of the materials actually used have no role, and a high sealing effect can be achieved, especially if the elastic seal does not actually generate thermal stress. In addition, the use of an electrically insulating seal in the low temperature region reduces the generation of parasitic and electrochemical voltages in the contact region between the conventional metal seal (located in the high temperature region) and the solid electrolyte (small tube). Can be avoided. In addition, it has been found that vibration occurs when the rotating vehicle engine or its exhaust system is not transmitted to the sensor so that a high degree of freedom of sensor interference is achieved. Conventionally, the electrical wiring can be welded or soldered to the sensor contact and / or can be crimped to the sensor contact by an elastic ring. In this way, a reliable contact configuration can be easily achieved. Conveniently, a plurality of sensor contacts are provided on the outside of the miniature tube, one or more of which can be used as heating contacts. This avoids the use of a separate heating element in the known device which has been pushed into a miniature tube. This increases the efficiency and reaction speed of the heater. Conveniently, at least one electrical contact can be provided inside the miniature tube. In a preferred embodiment of the invention, the miniature tubing is made in a cylindrical shape and is therefore very easy to manufacture. Further, it is advantageous to provide an electrically insulating layer on the miniature tube between the casing and the sensor contacts. Further, at least a portion of the minitube can include a solid electrolyte material connected to the at least one sensor contact. It is also possible to form the entire small tube with a solid electrolyte material. Furthermore, it is possible that at least a part of the outside of the miniature tube is made of a material having an electrical resistance that depends on the gas concentration. It is convenient to arrange the cooling ribs on the outside of the casing in order to cool the low temperature area efficiently. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a small tube of a sensor with a sensor contact. FIG. 2 is a cross section of the sensor. FIG. 3 is a schematic diagram of a sensor. FIG. 4 is another cross section of the sensor. FIG. 5 is a configuration of an assembly element. Embodiment Figure 1 of the invention shows a small tube of the sensor. The small tube 1 has a cylindrical shape and is closed at one end. It is made from an electrically insulating material (eg, aluminum oxide, solid electrolyte material, zirconium dioxide). It is also made from other materials whose outside is electrically insulating. The gas sensor 2 is provided outside the small tube 1 as an active element. Further, an electric heater 3 is mounted on the small tube 1. On these electrical sensor contacts (i.e. gas sensor 2, heater 3) an electrical insulating layer 4 is mounted which is thin but gas permeable, for example avoiding contamination of the gas sensor 2 by exhaust components. The electric sensor contacts 2, 3 arranged along the small tube 1 end at the open end of the small tube 1, communicate with the so-called external electrodes 5, and are electrically connected to the small tube 1 via the external electrodes 5. . At the surface of the open end of the miniature tube 1 a contact ring 6 is provided, which helps to make contact with the electrical contacts 7. If the gas sensor 2 is an electrochemical sensor that functions with a reference gas, the electric contact 7 is necessary. In this case, the reference gas is in the small tube 1 and the reference gas coincides, for example, with the surrounding air. The small pipe 1 is housed in a casing 8 as shown in FIG. The casing 8 (which holds the closed end of the small tube 1 at its tip) has a gas opening 9 through which the gas to be measured passes and leads to the gas sensor 2. In the area of the closed end of the miniature tube 1, the casing 8 has a nut 10 with an external thread 11 so that the sensor can be screwed into the wall of the chamber holding the gas to be measured. In the context of an internal combustion engine, this chamber can be, for example, an exhaust system (of a motor vehicle). A seal 12 may further be provided on the nut 10. The small tube 1 contacts the corresponding end of the casing 8 via its closed end surface and is pressed against this end by a spring 13. The small tube 1 is separated from the wall of the casing 8 so that the electrical sensor contacts (gas sensor 2 and heater 3) do not have electrical contact with the casing 8. An elastic heat resistant plastic O-ring 14 (eg, Teflon or Viton) is provided to serve as a gas seal. This O-ring serves as a gas chamber seal for the gas measured against the atmosphere surrounding the casing 8 so that, for example, the surrounding air maintains separation from the engine exhaust fumes. The O-ring 14 further stabilizes the position of the small tube 1 within the casing 8 and maintains electrical insulation between the small tube 1 and the electric contacts 2, 3 of the casing 8. The O-ring 14 also prevents vibrations from the casing 8 from being transmitted to the mini-tube 1, so that even when slightly heated and thermal stress should not occur, the O-ring 14 Offset the different coefficients of expansion. Furthermore, the O-ring 15 establishes contact between the external electrode 5 and the connecting lead 16. The O-ring 15 is also made of an elastic heat-resistant plastic. The connection lead 16 is securely pressed against the external electrode 5 by the O-ring 15 so that reliable contact is ensured. It is also possible to weld the connection lead 16 to the external electrode 5, or to arrange a plug to which the connection lead 16 is attached on the small tube 1 and insert the plug into the external electrode 5 to make contact therewith. The O-ring 15 is compressed by the crimping member 17 against the O-ring 14 so that the crimped member 17 ensures that the small tube 1 is held inside the casing 8 by the stress generated. The compression member 17 is compressed against the O-rings 14, 15 by a nut 18 through a washer 19 (of heat-resistant plastic), and the O-ring 14 is compressed against the stop surface of the casing 8. A nut 18 serves to seal the interior of the casing 8 and the connecting leads 16, 20 pass through the nut. The connecting leads 16, 20 are centered by the washers 19 and are introduced into the interior of the casing through the compression member 17. After assembly, the connecting lead 20 has an electrical connection with a spring 13 that supports the conductivity to the contact ring 6 such that the connecting lead 20 contacts the electrical contact 7 inside the small tube 1. This arrangement of the compression member 17, the nut 18, and the washer 19 is shown in an enlarged and different perspective in FIG. The use of plastic seals as O-rings 14, 15 with the above-mentioned advantages obtained is that even in the operating temperature of the sensor, heating is not significant, i.e., in the region of the casing 8, which is heated only until the plastic does not lose its elasticity. Is possible. Depending on the temperature of the gas to be measured, this area is at least about 2 cm, and it is especially a distance of 4 to 6 cm from the seal 12 that seals the chamber of the gas to be measured. The O-rings 14, 15 are typically fitted in areas where the temperature is only high enough to make the material of the O-rings 14, 15 permanent. Cooling ribs 21 are arranged outside the casing 8 to enhance the cooling effect. In this way, the distance between the O-rings 14, 15 and the closed end of the miniature tube 1 can be reduced. The number and shape of the cooling ribs 21 and the length of the casing 8 are limited only to a temperature at which the so-called low-temperature end of the small tube 1 to which the O-rings 14 and 15 fit does not damage the O-rings 14 and 15 and lose its function. A choice can be made depending on the temperature of the gas to be measured, to ensure that it is not heated. The arrangement of the cooling ribs is also shown in FIGS. 3 and 4, which shows a longitudinal section through the sensor slightly different from that of FIG. The sensor according to the invention is a very simple and therefore cost-effective design. The sensor according to the invention has low interference and is easy to combine with the function of accommodating a plurality of sensors in one casing, and is therefore safe to handle.
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