JPH10506473A - ガス濃度測定用センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 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る小型管と、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使用して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。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と、同時に接触子の高い信頼性と組み合わされた複数のセンサ機能を保証するために、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において提供され、ケーシングから電気的に絶縁された少なくとも１つのセンサ接触子が小型管の外側に備えられ、更に、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、混合ガス中のガス濃度を測定するためのセンサに関する。

Description

【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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＵ，ＢＲ，ＣＡ，Ｃ Ｎ，ＪＰ，ＫＲ，ＭＸ，ＲＵ，ＴＲ，ＵＡ，ＵＳ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．一端が閉じ、外側に電気センサが配置され、前記閉じた端に相対する端がケ ーシング（８）に収容されている小型管（１）と、 前記ケーシング（８）と前記小型管（１）の間で前記小型管（１）を囲み、気 密方法で封止される隙間を含み、 電気絶縁弾性材料で作られ、前記ケーシング（８）と前記小型管（１）の間で 前記小型管（１）を囲む気密シール（１４）が、前記閉じた端に相対して前記小 型管（１）の低温端に相当する前記端において備えられ、 前記小型管（１）の外側で少なくとも１つの電気センサ接触子（２、３）がケ ーシング（８）から電気的に絶縁されて備えられ、 少なくとも１つの前記センサ接触子（２、３）が、前記閉じた端に相対する、 小型管（１）の前記端に通じ、導電体に接続されることを特徴とする、ガス混合 物中のガス濃度を測定するセンサ。 ２．導電体（１６）が弾性リング（１５）により前記センサ接触子（２、３）に 圧着されることを特徴とする、請求項１記載のセンサ。 ３．前記導電体（１６）が前記センサ接触子（２、３）に溶着されることを特徴 とする、請求項１記載のセンサ。 ４．複数の前記センサ接触子（２、３）が前記小型管（１）の外部表面上に配置 され、少なくとも１つの前記センサ接触子（２、３）が加熱接触子として適合す ることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載のセンサ。 ５．少なくとも１つの電気接触子（７）が前記小型管（１）の内側に配置される ことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載のセンサ。 ６．前記小型管（１）が円筒形状であることを特徴とする、請求項１乃至５のい ずれかに記載のセンサ。 ７．電気絶縁層（４）が前記ケーシング（８）と前記センサ接触子（２、３）の 間の前記小型管（１）上に設けられることを特徴とする、請求項１乃至６のいず れかに記載のセンサ。 ８．前記小型管（１）の外部表面の少なくとも一部分が、少なくとも１つの前記 センサ接触子（２）に接続された固体電解質材料を含むことを特徴とする、請求 項１乃至７のいずれかに記載のセンサ。 ９．前記小型管（１）の全体が、少なくとも１つの前記センサ接触子（２）に接 続された固体電解質材料から作られることを特徴とする、請求項１乃至７のいず れかに記載のセンサ。 １０．前記小型管（１）の外部表面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を含むことを特徴とする、請求項１乃至７のいずれかに記 載のセンサ。 １１．前記ケーシング（８）の外側に冷却リブ（２１）が備えられることを特徴 とする、請求項１乃至１０のいずれかに記載のセンサ。