CN100499939C - 陶瓷加热器 - Google Patents

Abstract

提出了一种陶瓷加热器，其安装在气体传感器内以将传感元件加热升高至预定的激活温度。该陶瓷加热器包括一对形成在陶瓷本体上的电导体。每个电导体装有一个端子。为了将电能供应至导体，引线被结合至所述端子。密封部将引线和端子之间的结合部密封地覆盖，因而使其的腐蚀最小化以避免端子和引线之间的脱落。这改进了陶瓷加热器的耐久性。

Description

陶瓷加热器

技术领域

本发明总体上涉及内置于气体传感器内的陶瓷加热器的改进密封，该气体传感器可用来测量来自汽车发动机废气中特定成分的浓度。

背景技术

图7示出了一种气体传感器的典型例子，该气体传感器被设计成用来测量来自汽车发动机废气中某一成分的浓度。

气体传感器60具有安装在其内的陶瓷加热器9，该陶瓷加热器9用来将传感元件65加热升高至预定的激活温度。如图8和9所示，陶瓷加热器9包括陶瓷加热器本体92、按特定的模式形成在加热器本体92上和内的一对导体93、以及引线941。导体93装有端子931。各引线941分别地经过钎焊金属91被结合至端子931，用来将电能供应至导体93。例如，日本专利申请公开文献No.11-292649(美国专利No.6,118,110和6,121,590)公开了此类型的陶瓷加热器。

参看回图7，气体传感器60还包括将传感元件65保持在其内的空心圆柱壳体68。陶瓷加热器9安置在传感元件65的内侧。传感元件65在其顶端的外表面处暴露给允许废气进入的气体室610，传感元件65在其内表面处暴露给允许大气进入的空气室620。陶瓷加热器9在端子931处暴露给空气室620。为了避免废气泄漏进入空气室620，密封材料631安置在传感元件65和壳体68之间来确保它们之间的气密性密封。

然而，近年来，为了适应变严格的废气控制法律要求，汽车发动机废气的温度被提高，因而导致了陶瓷加热器9的密封材料631上热负载的增加，这使得壳体68和传感元件65之间气密性程度降低。这造成了废气泄漏进入空气室620以至包含在废气中诸如氧化氮的导致腐蚀物质到达陶瓷加热器9的端子931。另外，包含在废气中的湿气可附着至陶瓷加热器9或在发动机停机时冷凝，因而导致了端子931和引线941的结合部913的腐蚀，并且在最差的情况下中断它们之间的连接。

发明内容

因此，本发明的一个主要目的是避免现有技术的缺点。

本发明的另一个目的是提出一种陶瓷加热器的密封结构，其被设计成用来改进陶瓷加热器的耐久性。

根据本发明一个方面，提出了一种陶瓷加热器，其被用来将气体传感器的传感元件加热升高至预定的激活温度。陶瓷加热器包括：(a)陶瓷本体；(b)形成在所述陶瓷本体上的一对电导体，每个所述导体装有一个端子；(c)与所述导体的端子结合的引线，其被用来将电能供应至所述导体；和(d)密封部，其密封地覆盖了所述引线和所述导体的端子之间的结合部。密封部的使用避免了引线和端子的结合部与包含在气体传感器所测量气体中的致腐蚀物质或湿气的直接接触，还避免了电解质的形成，该电解质产生自生产陶瓷加热器期间致腐蚀物质粘附至结合部。这避免了结合部的腐蚀并且，在最坏情况下，引线从端子的物理性脱离。

在本发明优选实施方式中，密封覆盖了导体的端子的整体以改进避免结合部的腐蚀。

在气体传感器的操作温度高或使用在高温环境的情况中，为了抵抗高温，密封部可由玻璃制成。玻璃可被结晶化或被非结晶化。在气体传感器的操作温度较低情况下，密封部可选地由树脂制成。

为了在使用陶瓷加热器期间减小加热器本体和密封部之间热膨胀的差异以避免密封部内的裂缝，密封部的热膨胀系数位于加热器本体的热膨胀系数优选±15×10^-7/℃、并且更优选±10×10^-7/℃的范围内。

例如，当加热器本体由氧化铝(Al₂O₃)制成并且具有60×10^-7/℃热膨胀系数时，密封部优选地具有45—75×10^-7/℃的热膨胀系数并且更加优选地50—70×10^-7/℃的热膨胀系数。可选地，当加热器本体由氮化硅(Si₃N₄)制成并且具有25×10^-7/℃的热膨胀系数时，密封部优选地具有10—40×10^-7/℃的热膨胀系数并且更加优选地为15—35×10^-7/℃。

密封部可具有400℃或以上的玻璃态转化温度并且具有900℃或以下的熔接温度，因而确保了密封部的耐久性并确保了端子和引线的结合部的气密性和液密性密封部而无任何负面影响。特别地，气体传感器的最大操作温度为大约400℃。因此，只要密封部的玻璃态转化温度为400℃或以上，则在使用气体传感器期间将保持密封部为固体状态。当密封部的熔接温度超过900℃时，可造成端子和引线之间的结合部熔化，并且还导致端子和加热器本体之间结合强度的降低。

密封部的热膨胀系数位于引线的热膨胀系数优选±15×10^-7/℃、并且更优选±10×10^-7/℃的范围内，因而减小在使用陶瓷加热器期间引线和密封部之间热膨胀的差异以避免密封部内的裂缝。

引线可由42合金和科瓦合金之一制成。在这种情况下，可以使引线的热膨胀系数接近于密封部的热膨胀系数，这样做是为了在使用加热器期间减小引线和密封部之间热膨胀的差异以使密封部与引线界面上的裂缝最小化。

陶瓷加热器可以还包括将所述密封部保持在其内的保持器，以将所述密封部的外形保持在预定的形状下。所述保持器可由氧化铝或多铝红柱石制成。

附图说明

通过以下所给出的详细说明以及本发明优选实施方式的附图，将更加全面理解本发明；然而，本发明优选实施方式并不将本发明局限于此，而仅仅是出于解释和理解的目的。

在各附图中：

图1是说明了根据本发明第一实施例的陶瓷加热器的俯视图；

图2是沿图1中的线A-A的局部横剖视图，其说明了图1陶瓷加热器中的引线和端子之间结合部的密封结构；

图3是沿图2中的线B-B的局部纵向剖视图，其说明了图1陶瓷加热器中的引线和端子之间结合部的密封结构；

图4是纵向剖视图，其说明了装备有图1至3传感元件的气体传感器；

图5是局部横剖视图，其说明了据本发明第二实施例陶瓷加热器中的引线和端子之间结合部的密封结构；

图6是局部纵向剖视图，其说明了第二实施例陶瓷加热器中的引线和端子之间结合部的密封结构；

图7是纵向剖视图，其说明了装备有传统陶瓷加热器的气体传感器；

图8是俯视图，其说明了设置在图7气体传感器内的陶瓷加热器；并且

图9是局部横剖视图，其说明了图8加热器的端子和引线之间的结合部。

具体实施方式

参看附图，其中在几个图中类似的部分用类似的附图标记指示，尤其参看图1、2和3，它们示出了根据本发明第一实施例的陶瓷加热器1，其被设置在如图4所示的气体传感器内，该气体传感器被设计成用来测量汽车发动机废气中特定成分的浓度。

陶瓷加热器1基本上由杆形的陶瓷加热器本体2和装备有端子31的一对加热器导体3组成，所述端子31被安装至加热器本体2的一个端部。为了将电能供应至加热器导体3，引线41经过结合部13被连接至端子31。结合部13由玻璃密封部5所覆盖。

如图1至3所示，玻璃密封部5覆盖着端子31的整体。玻璃密封部5的热膨胀系数位于加热器本体2的热膨胀系数±15×10^-7/℃、优选±10×10^-7/℃的范围内。例如，当加热器本体2由氧化铝(Al₂O₃)制成并且具有60×10^-7/℃的热膨胀系数时，玻璃密封部5优选地具有45—75×10^-7/℃的热膨胀系数，并且更加优选地为50—70×10^-7/℃。可选地，当加热器本体2由氮化硅(Si₃N₄)制成并且具有25×10^-7/℃的热膨胀系数时，玻璃密封部5优选地具有10—40×10^-7/℃的热膨胀系数，并且更加优选地为15—35×10^-7/℃。

玻璃密封部5具有400℃或以上的玻璃态转化温度，并且具有900℃或以下的熔接温度。

正如图2所清楚示出，每一个引线41通过钎焊金属11被焊接至端子31中的一个。引线41可按其他任何焊接方式被焊接至端子31。玻璃密封部5同样覆盖了钎焊金属11的整体，因而密封了钎焊金属11和引线41之间的结合界面以及钎焊金属11和端子31之间的结合界面。

加热器本体2为大致圆柱形并且由陶瓷芯杆21和绕陶瓷芯杆21的外周缠绕的陶瓷片状体22组成。如图2和3所示，陶瓷片状体22具有形成在其内的加热器导体3，每个加热器导体3包括加热元件34、所述端子31、内引线32和导体通孔33。内引线32经过导体通孔33电连接至端子31还有加热元件34。加热元件34和内引线32形成在陶瓷片状体22的内表面上，而端子31形成在陶瓷片状体22的外表面上。

在加热器本体2的端部12处，各端子31在圆周上径向相对放置。如以上所说明，引线41通过钎焊金属11分别与端子31结合。玻璃密封部5绕端部12的整个圆周而形成以密封地包围端子31和引线41间的结合部13。

通过以下方式来实现玻璃密封部5对于结合部13的密封，即将玻璃膏涂布在接合部13上或将预焙玻璃放在一模具内，然后利用隧道式烘炉或分层式烘炉在例如750℃下将其焊接至结合部13。可选地，密封由以下步骤实现，即将陶瓷加热器1的端部12安放于形成在模具内的结合部13之上、引导密封材料进入模具内、冷却模具以凝固密封材料、并且从模具移出端部12。

如以上所说明，陶瓷加热器1可设置在如图4所示的气体传感器内。

图4的气体传感器6包括空心圆柱形壳体68、杯形气体传感元件65、保护盖组件61和空气盖62。气体传感元件65保持在壳体68内侧。保护盖组件61被结合至壳体68的顶端。空气盖62与保护盖组件61对齐被焊接至壳体68的基端。

保护盖组件61具有限定在其内的气体室610，如来自汽车发动机废气的气体被导入该气体室内。气体传感元件65被暴露给气体室610并且其运转以产生随包含在该气体内氧气的浓度而变化的信号。空气盖62具有限定在其内的空气室620，大气被导入该空气室。空气室620通向气体传感元件65内侧。

在壳体68的内壁和气体传感元件65的外壁之间安置粉末密封部631和绝缘体632以形成与外界隔绝的密封。环形垫圈634安置在绝缘体632的末端。壳体68的环形端部向内卷曲以推压环形垫圈634使其与绝缘体632恒定邻接，从而提高壳体68和气体传感元件65之间的密封程度。

气体传感元件65包括具有底部的空心圆柱固体电解质本体69和附加于固体电解质本体69的内和外表面上的内和外电极(未示出)。陶瓷加热器1安置在固体电解质本体69内侧。

端子671和672附加在气体传感元件65上并且电导通至内和外电极。端子671和672还被结合至外电极603和604。

陶瓷加热器1的各引线41被分别连接至各外引线601(为了简化表示仅仅示出了一个)。

如以上所说明，陶瓷加热器1在端子31和引线41间的结合部13被玻璃密封部5密封地覆盖；因而避免了结合部13与湿气和包含在发动机废气内的导致结合部13腐蚀的物质直接接触。

安装在汽车发动机的废气管内气体传感器6的操作将在以下说明。

新鲜空气通过斥水过滤器622进入空气盖62内侧。

发动机启动之后，气体传感器6开始测量包含在来自发动机废气内的氧气的浓度。废气进入保护盖组件61。部分废气可通过粉末密封部631和绝缘体632泄漏并且到达陶瓷加热器1的端子31和引线41间的结合部13。然而，结合部31被玻璃密封部5完全覆盖，因而避免了其与可导致结合部13腐蚀的废气的直接接触。

玻璃密封部5还用于避免陶瓷加热器1的任何缺陷，这些缺陷产生自制造陶瓷加热器1期间粘附至结合部13的可引起腐蚀的化学物质。例如，在生产加工期间陶瓷加热器1通常所经历的电镀处理中，氯可附着和停留在结合部13上。如果水与氯混合，则将产生出导致结合部13腐蚀的电解质。在最差的情况下，这造成引线41与端子31的脱离。玻璃密封部5用来避免此问题并且确保陶瓷加热器1的耐久性。

如以上所说明，玻璃密封部5覆盖端子31的整体，因而进一步避免结合部13的腐蚀以改进陶瓷加热器1的耐久性。

玻璃密封部5的材料具有抵抗高温的能力，因而确保了在高温环境中端子31和引线41的结合强度。

如以上所说明，玻璃密封部5具有位于加热器本体2的热膨胀系数±15×10^-7℃的范围内的热膨胀系数，从而减小了使用陶瓷加热器1期间加热器本体2和密封部5之间热膨胀的差异，以最小化密封部5内的裂缝。

玻璃密封部5具有400℃或以上的玻璃态转化温度并且具有900℃或以下的熔接温度，因而确保了玻璃密封部5的耐久性并确保了端子31和引线41间的结合部13的气密性和液密性密封而无任何负面影响。特别地，钎焊金属11的熔点为大约950—970℃。因而，只要密封部5的熔接温度为900℃或以下，则在密封部5焊接至加热器本体2期间钎焊金属11将不会被熔化。气体传感器6的最大操作温度为大约400℃。因此，只要密封部5的玻璃态转化温度为400℃或以上，则在使用气体传感器6期间将保持密封部5为固体状态。

图5和6说明了根据本发明第二实施例的陶瓷加热器1，其与图1至3中的陶瓷加热器的不同之处在于，玻璃密封部5由保持器51所覆盖以将玻璃密封部5的轮廓保持为预定的形状。

特别地，如图6清楚所示，保持器51为杯形并且安装在整个密封部5上。换句话说，保持器51被密封部5充满以密封地覆盖端子31和引线41间的结合部13。保持器51可由氧化铝或多铝红柱石制成。其他结构与第一实施例中的相同，并且对于它们的详细说明在此将被忽略。

下面将说明第三实施例的陶瓷加热器1。

陶瓷加热器1具有由42合金或科瓦(kovar)合金制成的引线41。42合金是镍和铁的合金并且具有45—65×10^-7/℃的热膨胀系数。科瓦合金是镍、钴和铁的合金并且具有45—65×10^-7/℃的热膨胀系数。

加热器本体2由氧化铝制成。密封部5由玻璃制成。其他结构与第一实施例中的相同。

玻璃密封部5的热膨胀系数位于引线41的热膨胀系数±15×10^-7/℃的范围内，并且也可优选地该范围被选择为±10×10^-7/℃，以更加接近于引线41的热膨胀系数。特别地，如以上所说明，在由氧化铝制成的加热器本体2的热膨胀系数是60×10^-7/℃的情况下，玻璃密封部5优选地具有45—75×10^-7/℃的热膨胀系数并且更加优选地50—70×10^-7/℃的热膨胀系数。在这种情况中，通过用42合金制造引线41，可以使引线41的热膨胀系数接近于玻璃密封部5的热膨胀系数，这样做是为了在使用加热器1期间减小引线41和玻璃密封部5之间热膨胀系数的差异，以使密封部5与引线41界面上的裂缝最小化。

在加热器1被设置在将在300—350℃低温操作温度下使用的气体传感器内的情况下，端子31和引线41间的结合部13可选地可由诸如聚酰胺树脂等的树脂而非玻璃密封部5覆盖。

密封部5不是必须覆盖加热器导体3的端子31的整体，而是可至少覆盖端子31和引线41间的结合部13。在第一实施例中，密封部5可覆盖至少钎焊金属11和引线41之间的结合面111。

尽管本发明公开了几个优选的实施例以便于更好地理解本发明，但是应该理解的是在不脱离本发明原理的前提下，本发明可以采取各种不同的方式来实施。因而，本发明应该被理解为包括所有可能的实施例以及对所示实施例的修改，这种修改在不脱离权利要求中限定的本发明原理的前提下可被实施。

Claims (8)

1.一种用在气体传感器内的陶瓷加热器，其包括：

陶瓷本体；

形成在所述陶瓷本体上的一对电导体，每个所述导体装有一个端子；

与所述导体的端子结合的引线，其被用来将电能供应至所述导体；

密封部，其密封地覆盖了所述引线和所述导体的端子之间的结合部。

2.如权利要求1所述的陶瓷加热器，其特征在于，所述密封部覆盖了所述导体的所述端子的整体。

3.如权利要求1所述的陶瓷加热器，其特征在于，所述密封部由玻璃制成。

4.如权利要求3所述的陶瓷加热器，其特征在于，所述密封部的热膨胀系数位于所述陶瓷本体的热膨胀系数±15×10^-7/℃的范围内。

5.如权利要求3所述的陶瓷加热器，其特征在于，所述密封部具有400℃或以上的玻璃态转化温度并且具有900℃或以下的熔接温度。

6.如权利要求3所述的陶瓷加热器，其特征在于，所述密封部的热膨胀系数位于所述引线的热膨胀系数±15×10^-7/℃的范围内。

7.如权利要求3所述的陶瓷加热器，其特征在于，所述引线由42合金和科瓦合金之一制成。

8.如权利要求1所述的陶瓷加热器，其特征在于，还包括将所述密封部保持在其内的保持器，以将所述密封部的外形保持在预定的形状下。

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