CN101113986A - 具增大水侵入阻力的气体传感器和操作气体传感器的方法 - Google Patents

Abstract

一种气体传感器和相关操作方法公开为具有用于检测测量气体中特定气体成分浓度的浓度感测元件。壳体支撑该浓度感测元件和盖体结构，该盖体结构包括用于在暴露于测量气体流的区域中包围浓度感测元件的前端部分的内壳体和外壳体。环形侧面间隙限定于内壳体和外壳体之间。内壳体具有其上部区域中形成有内壳体侧壁开口的侧壁和形成有内壳体底壁开口的底壁。外壳体具有形成有外壳体侧壁开口的侧壁和在内壳体底壁开口径向外侧的外圆周区域中形成有外壳体底壁开口的底壁。

Description

具增大水侵入阻力的气体传感器和操作气体传感器的方法

相关申请的交叉参考

本发明涉及分别于2006年7月21日和2006年12月15日提交的日本专利申请No.2006-199073和No.2006-337819，它们的内容通过参考结合于此。

技术领域

本发明涉及用于检测例如机动车发动机等的测量气体中一种具体气体成分的浓度的气体传感器，并且更具体地涉及具有用于保护气体感测元件的盖体结构的气体传感器。

背景技术

随着机动车发动机的发展，已经试图提供一种安装在内燃机(比如机动车发动机)的废气管上的气体传感器。该气体传感器检测例如测量气体中一种特定气体成分(比如氧气)的浓度以便输出检测信号。检测信号应用至电控单元，该电控单元基于所检测的氧气浓度计算空燃比，从而用于执行内燃机的燃烧控制。

利用这种结构，气体传感器通常包括固定地安装在废气流道的壁上的壳体、穿过壳体并且在前端部分暴露于废气流道的情况下保持在固定位置的气体感测元件、以及覆盖气体感测元件前端部分以保护其免受废气影响的盖体结构。

同时，在内燃机在低温下的启动运转期间，仍处于寒冷状态下的废气管吸收包含在废气中的水汽的热，水汽就被冷凝从而形成水滴。水滴穿过废气流道。那么，就不会发生水滴的蒸发，水滴与测量气体一起侵入气体传感器内部。因而，水滴易于附着到气体感测元件上，导致下述的不利影响。

在通常实践中，由固体电解质等制成的气体感测元件由加热器等加热到大于400℃的高温从而维持在活化状态。

因此，由于水滴进入气体传感器内部并附着到气体感测元件上，就存在着气体感测元件受到热冲击从而由于水侵入而发生破裂的危险。

而且，着眼于以提高的精度执行内燃机的燃烧控制，就需要气体传感器具有进一步增大的响应。因此，为了让气体传感器具有增大的响应，气体传感器需要具有立即准许测量气体进入气体传感器内部的结构。

因此，就要求气体传感器的盖体具有水侵入阻力(water-incursion resistance)和高响应的矛盾特性。

为了满足这种要求，因此已经试图提供一种包括盖体的气体传感器，所述盖体形成为由直径不同的内壳体和外壳体所构成的双层圆柱形结构，如日本专利申请公开2004-245103所公开的。具有这种盖体，内壳体和外壳体分别具有气体引入孔，用于准许测量气体进入气体传感器内部以确保响应。盖体具有限定于内壳体外周边和外壳体内壁之间固定范围内的侧面间隙，从而试图防止水滴从盖体的侧面侵入从而最小化水侵入的出现。

另外，形成于外壳体底壁上的外壳体底壁开口和形成于内壳体底壁上的内壳体底壁开口以彼此同心的关系定位，并且内壳体底壁开口直接暴露于穿过废气流道的废气流。

而且，本发明人已经建议了一种包括盖体的气体传感器，其结构形成为使得提供增大的水侵入阻力，如日本专利申请序列号No.2006-124074所公开的。具有这种结构的气体传感器的一个例子在图12中示出。

在图12中，气体传感器1C包括气体感测元件11和以双层圆柱体结构形成的盖体。

盖体包括内壳体12C和外壳体13C，并且外壳体13C具有外壳体侧壁开口132C而内壳体12C具有在更靠近内壳体底壁的方向上轴向地远离外壳体侧壁开口132C的区域中形成的内壳体侧壁开口123C。另外，外壳体13C和内壳体12C分别具有形成于同心位置的底壁开口133C和126C。

内壳体侧壁开口123C形成为在一向上部件中从内壳体12C的外部区域向其内部的方向上朝上开口。这防止了随着废气流通过外壳体侧壁开口132C进入的水滴进入到内壳体12C内部。

废气中的水滴沿着形成于内壳体12C前端部分上的直径减小部分124C的内壁向下运动，于是水滴通过底壁开口133C排出到测量气体流道。

形成于内壳体12C的底壁125C上的底壁开口126C布置在与形成于外壳体13C的底壁135C上的底壁开口133C相同的平面上或者从底壁开口133C向下伸出的位置以便直接暴露于测量气体流道。

然而，具有上述相关技术所公开的气体传感器的结构和图12所示气体传感器的结构，形成于内壳体的底壁上的底壁开口暴露于废气流道，气体传感器就变得难以完全防止废气中包含的水滴通过内壳体底壁开口侵入，这取决于气体传感器安装在废气管的壁上的角度。尤其，在形成于内壳体12C的底壁125C上的底壁开口126C布置在与形成于外壳体13C的底壁135C上的底壁开口133C相同的平面上的情况下，不仅废气中包含的水滴直接侵入内壳体12C的内部，而且残留在外壳体底壁开口133C的开口边缘上的水滴在废气流高速地流动时会散射。因而，就存在着侵入内壳体12C内部的水滴附着到气体感测元件上的危险。

发明内容

本发明在着眼于解决上述问题而完成并且其目标是提供一种气体传感器，其结构形成为使得气体感测元件不宜于遭受水侵入同时改进极好的响应。

为了实现上述目标，本发明的第一方面提供了一种用于检测测量气体中特定气体成分的浓度的气体传感器，包括：具有基端部分和前端部分的浓度感测元件，用以检测测量气体中特定气体成分的浓度；壳体，用于插入浓度感测元件以固定地支撑该浓度感测元件从而允许浓度感测元件的前端部分处于测量气体流流过的流道中；和有底的圆柱形盖体结构，其由壳体固定地支撑并且具有圆柱形多层结构，其包括彼此直径不同并且相对彼此以同心的关系布置的内壳体和外壳体以便在暴露于测量气体流的区域中包围浓度感测元件的前端部分。在内壳体的外周边和外壳体的内周边之间限定了环形侧面间隙。内壳体具有基端部分和前端部分，内壳体的基端部分具有形成于从内壳体的外部区域朝着其内部区域向上指向的部件中的内壳体侧壁开口，内壳体具有其中心区域形成有内壳体底壁开口的内壳体底壁。外壳体具有基端部分和前端部分，外壳体的基端部分具有多个用以准许测量气体流进入环形侧面间隙的外壳体侧壁开口。外壳体的前端部分具有与内壳体底壁间隔开的外壳体底壁以在其间限定出底部间隙。多个外壳体底壁开口形成于外壳体底壁上内壳体底壁开口径向外侧的外圆周区域中。

通常，准许测量气体流通过外壳体侧壁开口进入限定于内壳体的外周边和外壳体的内周边之间的侧面间隙，从而在朝向外壳体底壁开口的方向上形成气流。由于内壳体具有相对于内壳体的内壁向上定向的内壳体侧壁开口的具体结构，即使在测量气体流中具有水滴，也不准许水滴进入内壳体侧壁开口，同时仅准许测量气体通过内壳体侧壁开口进入到内壳体内部。因此，准许通过外壳体侧壁开口的水滴立即通过外壳体底壁开口排出到测量气体流道。因而，浓度感测元件不易于受到水侵入。

而且，在内壳体底壁开口和外壳体底壁开口之间没有形成直接的流体相通。因此，即使水滴通过外壳体底壁开口侵入，也不会有水滴直接侵入内壳体的内部，并且穿过内壳体底壁和外壳体底壁之间底部间隙的水滴被蒸发以减少。因而，浓度感测元件就不易于受到水侵入并且气体传感器的响应增大。

对于本发明的气体传感器，内壳体的前端部分可优选地包括其直径朝着内壳体底壁减小的锥形部分。

具有这种结构的内壳体，限定于外壳体的内壁和内壳体的外周边之间的侧面间隙在空间上朝着外壳体底壁扩展。这使得侧面间隙的压力损失降低。因此，准许通过外壳体侧壁开口进入侧面间隙的测量气体流立即移动，使得包含在测量气体流中的水滴易于通过外壳体底壁开口排出到气体传感器外面。因此，浓度感测元件更不易于受到水侵入。

另外，内壳体具有减小的内部体积以获得测量气体加快的交换，从而提供气体传感器响应的增大。

对于本实施例的气体传感器，内壳体可优选地包括形成于内壳体的基端部分和前端部分之间的区域中且其直径朝着内壳体底壁减小的锥形台肩，以及形成于内壳体的基端部分和前端部分之间的区域中的多个凹陷部分，其中内壳体侧壁开口在锥形台肩和所述多个凹陷部分中的至少一个中以切口形状形成。

具有朝着内壳体的基端部分的上部向内区域开口的形成为切口形状的内壳体侧壁开口，水滴变得难以侵入内壳体的内部。因而，浓度感测元件不易于受到水侵入。

对于本实施例的气体传感器，外壳体的前端部分可优选地包括其直径朝着外壳体底壁减小的锥形部分。

具有这种结构，限定于外壳体的锥形部分的内壁和内壳体的外周边之间的侧面间隙部分地变窄。这使得准许进入外壳体内部的测量气体流朝着外壳体底壁以加大的速度流动。因此，准许通过外壳体侧壁开口的水滴倾向于从外壳体底壁开口排出。因此，浓度感测元件不易于受到水侵入。

对于本实施例的气体传感器，所述多个外壳体底壁开口可优选地包括形成于与外壳体的轴线同心的圆形区域中等距地间隔开的位置处的三至六个开口。

具有形成有这种数量外壳体底壁开口的外壳体侧壁，气体传感器能在水侵入阻力增大的情况下具有最佳的响应。

如果外壳体底壁开口的数量小于2，那么，就需要在固定安装方向性之上将气体传感器安装在排气管上，这就导致了实践的缺点。另外，测量气体的引入和排出变得不充分，导致气体传感器响应的下降。而且，如果外壳体底壁开口的数量大于7，那么，水滴侵入内壳体内部的可能性增大。这不仅导致了本发明的优点下降，而且还导致测量气体流的流速降低，其结果是气体传感器的响应下降。

对于本实施例的气体传感器，所述多个外壳体底壁开口形成于外壳体底壁上沿着内壳体前端部分的锥形部分延伸的延长线和外壳体底壁之间的相交圆外侧的圆形区域中。

具有形成于这个圆形区域中的外壳体底壁开口，外壳体底壁开口定位于沿着内壳体前端部分的锥形表面经过测量气体流的延长线上的区域中。这使得测量气体中的水滴易于从外壳体底壁开口排出。因此，浓度感测元件不易于受到水侵入。

对于本实施例的气体传感器，外壳体底壁开口每个都可优选地形成为圆形，其直径的数值等于或大于1.0mm并且等于或小于2.0mm。

具有以这种直径形成的外壳体底壁开口，气体传感器具有最佳的响应，同时允许浓度感测元件具有增大的水侵入阻力。

如果外壳体底壁开口的直径小于1.0mm，那么，废气流就难以准许通过外壳体侧壁开口并通过外壳底壁开口排出，导致气体传感器的响应下降。

相反，如果外壳体底壁开口的直径大于2.0mm，那么，包含在测量气体中的水滴就易于侵入内壳体的内部，导致本发明的优点下降。

对于本实施例的气体传感器，外壳体底壁开口可优选地形成于外壳体底壁上并且和一个与外壳体的轴线同心且直径等于或大于6.0mm并且等于或小于7.0mm的圆相一致。

具有这种结构，气体传感器能具有最佳的响应，同时准许浓度感测元件不易于受到水侵入。

如果外壳体底壁开口位于直径小于6.0mm的圆形区域内，那么内壳体底壁开口和外壳体底壁开口就被带入彼此直接流体相通，导致难以获得本发明的优点。

而且，如果布置位置位于直径为7.0mm的圆的外侧，那么，外壳体就需要具有增大的直径并且需要各种设计变型。

对于本实施例的气体传感器，外壳体底壁和内壳体底壁之间的底部间隙可优选地为等于或大于1.0mm并且等于或小于3.0mm的数值。

具有这种结构，气体传感器能具有最佳的响应，同时准许浓度感测元件不易于受到水侵入。

如果底部间隙小于1.0mm，那么测量气体的引入和排出变得不充分，导致气体传感器的响应下降。

相反，如果底部间隙大于2.0mm，那么，水滴就易于以增大的速度侵入内壳体的内部。这导致本发明的优点下降。

本发明的另一方面提供了一种操作气体传感器以检测流过测量气体流道的测量气体中特定气体成分的浓度的方法，该方法包括：准备具有基端部分和前端部分的浓度感测元件，用以检测测量气体中特定气体成分的浓度。准备壳体，用于插入浓度感测元件以固定地支撑该浓度感测元件从而允许浓度感测元件的前端部分处于测量气体流流过的流道中。准备有底的圆柱形盖体结构，用于覆盖浓度感测元件的前端部分并且包括外壳体和内壳体，外壳体具有多个外壳体侧壁开口和多个外壳体底壁开口，内壳体具有多个朝着内壳体的底壁形成于轴向地远离外壳体侧壁开口的区域中并通向内壳体上部内侧区域的内壳体侧壁开口，以及与外壳体的内周边径向地间隔开给定量的侧面间隙的锥形前端部分，该侧面间隙沿着内壳体的轴线在径向空间中变化，该内壳体具有与外壳体底壁轴向地间隔开给定量的底部间隙并且形成有多个内壳体底壁开口的内壳体底壁。准许测量气体流通过外壳体侧壁开口进入外壳体的内部以允许测量气体流撞击内壳体的外壁。将测量气体流朝着外壳体的底壁轴向向下地导向通过侧面间隙。准许一部分测量气体流在外壳体侧壁开口下游的区域处通过内壳体侧壁开口流动到内壳体的上部内侧区域。将其余测量气体流沿着内壳体的锥形前端部分的外周边通过侧面间隙和外壳体底壁开口排出到测量气体流道。将准许进入内壳体的那部分测量气体流通过内壳体底壁开口和外壳体底壁开口排出到测量气体流道。

因而，根据本发明，气体传感器能具有浓度感测元件的响应增大和水侵入阻力增大的结构。另外，本发明的气体传感器操作方法实现了具有高度耐用性的气体传感器的可靠操作同时具有增大的水侵入阻力和增大的响应。

附图说明

图1是示出根据本发明第一实施例的气体传感器的纵向横截视图。

图2A是示出图1所示气体传感器的内壳体构成部件的结构的透视图。

图2B是示出图1所示气体传感器的外壳体构成部件的结构的透视图。

图2C是示出用于图1所示气体传感器中的盖体结构的透视图。

图3A是实施本发明的气体传感器在评测试验中使用的横向横截视图。

图3B是示出用安装在测量气体流道中的如图3A所示的气体传感器测量气体的流动模式的示意图。

图4A是示出用于模拟出现在实施本发明的气体传感器上的水侵入模式的水侵入试验设备的示意图。

图4B是示出在对利用图4A所示的试验设备进行的试验结果进行评测中评测水侵入阻力的过程的视图。

图5是示出现有技术的气体传感器和图1所示本实施例的气体传感器的水侵入评测结果的图表。

图6是示出现有技术的气体传感器和图1所示本实施例的气体传感器的阶跃响应评测结果的图表，在阶跃响应试验在空燃比在14和15之间移动的情况下评测变化时间63％中进行的状况下。

图7A和7B是示出应用于图1所示第一实施例的气体传感器中盖体结构的内壳体和外壳体底壁开口的锥形表面之间的位置关系的视图。

图8A和8B是示出外壳体形成有三个底壁开口的盖体结构的视图。

图8C和8D是示出外壳体形成有四个底壁开口的盖体结构的视图。

图8E和8F是示出外壳体形成有五个底壁开口的盖体结构的视图。

图8G和8H是示出外壳体形成有六个底壁开口的盖体结构的视图。

图9是示出绘出本发明在以各种方式实施的气体传感器上显现的有利影响的图表的视图。

图10是示出根据本发明第二实施例的气体传感器的纵向横截视图。

图11是内壳体的透视图，其示出以变型形式形成的内壳体侧壁开口。

图12是示出现有技术的气体传感器的结构的纵向横截视图，用于比较的目的。

具体实施方式

现在，下面将参照附图详细地描述根据本发明各个实施例的气体传感器以及操作气体传感器的相关方法。然而，本发明构造为并不限于下述的实施例并且本发明的技术概念可与其它已知技术或者与这种已知技术等同地起作用的其它技术组合地实施。

在下面的描述中，可以理解为，气体传感器适于插入测量气体流道的那部分称作“前端部分”并且气体传感器暴露于大气的相对侧称作“基端”或“基端部分”。

而且，将理解到，根据本发明本实施例的气体传感器可广泛地应用于氧气传感器、A/F传感器、NOx传感器等。

(第一实施例)

下面参照图1和2描述根据本发明第一实施例的气体传感器。

如图1所示，气体传感器1包括用于检测测量气体中特定气体成分浓度的气体感测元件11、用于固定地支撑将要暴露于测量气体流道80的气体感测元件11的壳体14、以及盖体2，盖体2由例如不锈钢等制成用于覆盖壳体14和将要暴露于测量气体的气体感测元件11的前端部分11a。

壳体14包括：壳体本体14a，其外周边形成有呈壳体螺母部分143形式的工具安装部分14b，工具(未示出)可与所述壳体螺母部分143相啮合；从壳体本体14a轴向地向上延伸的上圆柱形部分14c；以及从壳体本体14a轴向地向下延伸的下圆柱形部分14d。工具安装部分14b形成为基本上六边形轮廓，并且六边形表面的两个面对表面彼此间隔开给定的值。

如图1所示，而且，壳体本体14a的下圆柱形部分14d具有形成有螺纹部分142的外周边，所述螺纹部分142能螺旋入例如内燃机的废气管8的壁。废气管8用作测量气体流道80。在壳体14安装在废气管8上时，气体感测元件11的前端部分11a暴露于横穿废气管8的测量气体流S，而气体感测元件11的基端部分11b暴露于大气环境。

盖体2呈多层结构的形式，形成为有底的圆柱形形状，其包括直径不同且相对彼此同心地布置的内壳体12和外壳体13。

内壳体12呈所谓的帽型，截面为圆柱形并且具有开口的上端和有底的下端。内壳体12的上端具有径向向外延伸的径向延伸的内壳体环形凸缘部分121。

类似地，外壳体13也呈所谓的帽型，截面为圆柱形并且具有开口的上端和有底的下端。外壳体13的上端具有径向向外延伸的径向延伸的外壳体环形凸缘部分131。

内壳体12和外壳体13彼此叠置以使得内壳体环形凸缘部分121和外壳体环形凸缘部分131彼此叠置。在这种叠置状态下，内壳体环形凸缘部分121和外壳体环形凸缘部分131通过形成于下圆柱形部分14d的末端上的敛缝部分141固定地紧固至壳体14的下端面。

现在参照图2A至2C更详细地描述构成盖体2的内壳体12和外壳体13的结构。

图2A是示出内壳体12的透视图，图2B是示出外壳体13的透视图。图2C是示出内壳体12和外壳体13布置为组合状态时的盖体2的透视图。

外壳体13包括：基端部分13a，用作圆柱形侧壁并且具有六个沿着外壳体13的圆周方向形成于等间距的位置处的外壳体侧壁开口132；以及具有外壳体底壁134的前端部分13b。外壳体侧壁开口132的截面为圆形并且每个具有例如3.0mm的直径用于准许测量气体流进入限定于内和外壳体12，13之间的环形侧面间隙200。

外壳体13的外壳体底壁134具有四个外壳体底壁开口133，它们形成于在与外壳体13的轴线同心地且直径为7.0mm的圆上圆周地和等距地间隔开的位置处。外壳体底壁开口133的截面为圆形并且每个具有例如1.0mm的直径。

如图1和2A所示，内壳体12包括：具有开口的基端部分12a，其形成有环形凸缘121；前端部分12b，其从基端部分12a轴向地向下延伸并且具有形成有内壳体底壁125的最低端；以及在基端部分12a和前端部分12b之间形成为直径朝着前端部分12b变小的环形锥形台肩122。

内壳体12的内壳体底壁125具有形成有直径为例如3.0mm的内壳体底壁开口126的中心区域，底壁开口126用以将测量气体从内壳体12的内部排出到其外面。

内壳体12的环形锥形台肩122具有多个内壳体侧壁开口123，它们位于沿着内壳体12的圆周方向等间距的位置处，并且形成为朝着前端部分12b且处于与外壳体侧壁开口132轴向错开的位置。

如同图2A最佳地示出的，内壳体侧面开口123朝着内壳体12的前端部分12b的上部内侧区域开口以便具有开口部件以仅允许测量气体朝着前端部分12b的上部内侧区域轴向向上地流动同时可靠地避免包含在准许进入外壳体13内部的测量气体中的水滴进入前端部分12b的上部内侧区域。

更具体地，多个径向向内的凹陷部分122a可通过压力成形而沿着锥形台肩122的圆周方向在等间距的位置处形成于内壳体12的锥形台肩122上以便与内壳体12的轴线平行地纵向延伸。在这种压力成形操作期间，径向向内的凹陷部分122a的上部末端分别形成为切口形状，它们朝着内壳体12的基端部分12a的上部内侧区域开口，作为内壳体侧壁开口123。

如图1和2A所示，内壳体12的前端部分12b具有直径朝着内壳体12的内壳体底壁125变小的锥形部分124。

因此，限定于内和外壳体12，13之间的环形侧面间隙200在环形空间中朝着外壳体13的前端部分13b逐渐扩大。

在内和外壳体12，13如图2C所示在同心装配的状态下彼此叠置时，在内壳体12的内壳体底壁125和外壳体13的外壳体底壁134之间限定了居间的底部间隙201。

气体感测元件11的基端部分11b电连接至内部信号引线110，内部信号引线110通过连接终端111连接至外部信号引线112。

而且，气体感测元件11具有中间部分11c，其延伸贯穿瓷制绝缘本体15的通孔15a。瓷制绝缘本体15具有容纳在壳体14的壳体本体14a和上圆柱形部分14c中的外周边。而且，瓷制绝缘本体15具有形成有圆柱形腔15b的基端部分，该圆柱形腔15b由密封剂元件16所埋住，以将气体感测元件11支撑于与壳体14和盖体2同心的固定位置处。

另外，杯形瓷制绝缘元件17在瓷制绝缘本体15的上端壁处布置在绝缘本体15上，并且具有罩住信号引线110的腔17a。而且，信号引线112埋在绝缘元件18中并且保持在固定的位置。

绝缘元件17、18覆盖有大气侧盖元件19。大气侧盖元件19具有：前端部分19a，其通过焊接固定地紧固至壳体14的上圆柱形部分14c；以及基端部分19b，其形成有径向延伸的环形台肩19c。径向延伸的环形台肩19c保持为与绝缘元件19的上端面压力地接触以受力紧靠绝缘本体15以使得绝缘本体15与壳体14压力接触地保持在固定的位置。

在气体传感器1以这种结构装配时，通过将壳体14的螺纹部分142螺旋至测量气体流道80，壳体14安装在测量气体流道80的壁上。此时，壳体14被紧固至测量气体流道80的壁以便允许气体测量元件11的、由内和外壳体12，13所覆盖的前端部分11a暴露于测量气体流S。

在壳体螺母部分143紧固操作结束时，将弹性元件20压缩在壳体14的壳体螺母部分143和测量气体流道80的外壁之间，从而在其间提供气密的密封作用。

气体测量元件11包括层压型氧气传感器元件，其包括由例如锆等制成的氧离子传导的固体电解质本体，以及测量电极、参考电极、形成于固体电解质本体两侧上的参考气体引导层和加热层的叠层。另外，气体测量元件11可用作NOx传感器和空燃比传感器等，这根据测量气体的种类和要执行的具体控制的目的来进行适当地选择。

图3A是示出具有相关尺寸关系的内壳体12的仰视图，并且图3B是示出穿过气体传感器1附近区域的测量气体的气流速度矢量的模式图。

如图3A所示，内壳体12的锥形台肩122的每个凹陷部分122a在内壳体12的锥形台肩122上形成为具有圆周宽度W₁为2mm且径向深度D₁为0.5mm的横向延伸切口123。

本实施例具有这种内壳体12的气体传感器1安装在将要暴露于穿过测量气体流道80的测量气体流S的壁8上。测量气体流S设置为以25m/秒的流速流动，这等同于在2000rpm的旋转速度下运行的发动机的废气流速。

图3B示出了在气体传感器1暴露于以25m/秒的流速流过测量气体流道80的测量气体流S时横穿气体传感器1附近区域并且流过气体传感器1内部的测量气体的流速矢量，上述流速等同于在2000rpm的旋转速度下运行的发动机的废气流速。

如同从图3B中很清楚地，测量气体流S撞击气体传感器1的外壳体13的外周边。此时，测量气体流分量F1穿过布置于测量气体流S中上游侧处的上游侧外壳体侧壁开口132a，并且撞击内壳体12的基端部分12a的外周边。这使得测量气体流分量F1轴向向下地偏转从而形成流入内壳体12和外壳体13之间环形侧面间隙200的测量气体流分量F2。测量气体流分量F2朝着外壳体底壁134流过环形侧面间隙200，由此测量气体流分量F2通过外壳体底壁开口133被排出到其外面，如箭头A1所示。

由于在存在锥形部分124的情况下环形侧面间隙200的环形空间在内和外壳体12，13之间朝着外壳体底壁134扩大的具体结构，就会出现气体流分量F2的流动阻力的降低。因而，气体流分量F2从靠近内壳体12锥形台肩122的上游区域朝着外壳体13的外壳体底壁134以增大的流速流过环形侧面间隙200。

而且，由于气体流分量F2流过外壳体底壁134之上的一个区域，在外壳体底壁134上主要的测量气体就穿过外壳体底壁开口133被拖到其外面，如图3B中箭头A2所示。因而，作为支配气流的测量气体流分量就从外壳体13的内部被排出到外部。

因此，就没有水滴从外壳体13的外壳体底壁开口133进入内壳体12的内部。

而且，在气体传感器1的下游区域处在测量气体流S中出现涡流。这使得在测量气体流S中出现回流分量F3。回流分量F3准许穿过布置在测量气体流S下游侧的下游侧外壳体侧壁开口132b。回流分量F3然后被内壳体12的基端部分12a的外周偏转为被轴向向下地导向入侧面间隙200。

此后，穿过侧面间隙200的回流分量F3流入外壳体13的外壳体底壁134附近的下端区域，由此回流分量F3通过外壳体底壁开口133被排出到外壳体13的外部，如箭头A2所示。

在测量气体流分量F2和F3流动穿过外壳体13的外壳体底壁开口133期间，测量气体流分量F2和F3在外壳体底壁134之上流动。这导致在内壳体底壁125和外壳体底壁134之间的居间底部间隙201中形成负压。因此，在内壳体底壁开口126附近区域中主要的测量气体就被拖入居间底部间隙201。这使得将被通过外壳体底壁开口133排出到外壳体13外部的测量气体进入测量气体流S。

在测量气体流分量F2和F3流动穿过内壳体底壁125和外壳体底壁134之间的居间底部间隙201期间，准许通过外壳体侧壁开口132a和132b的测量气体流分量F2和F3就部分地准许通过形成于内壳体12的锥形台肩122中的内壳体侧壁开口123，作为进入内壳体12内部的测量气体流分量F4。

因此，准许进入内壳体12内部的测量气体流分量F4就与气体感测元件11的前端部分11a相接触，用以检测测量气体中特定气体成分的浓度。那么，准许进入内壳体12内部的测量气体流分量F4就在居间底部间隙201中负压占优的情况下排出通过内壳体底壁开口126。因而，测量气体流分量F4就通过外壳体13的外壳体底壁开口133排入测量气体流道。这样就使气体传感器1的响应增大。

图4A和4B示出了用于确认本实施例的气体传感器1的结果的试验方法。图4A示出了用于模拟本实施例的气体传感器1的结果的水侵入阻力试验装置100，并且图4B示出了在图4A所示试验装置中进行的评估气体传感器1的试验结果的方法。

如图4A所示，水侵入阻力试验装置100包括：压缩空气管道102，其连接至压缩空气供应源(未示出)并且供应以12.6m/秒的流速流动的压缩空气流CA；加热腔104，其与压缩空气管道102相通并且其中结合有用于加热压缩空气流CA的加热器106；以及倾斜的加热空气管道108，其相对于水平面(也就是加热器104的轴线)以45°的角度倾斜。水泵250在加热器104的刚刚下游区域处被安装在倾斜的加热空气管道108上以将水滴WD朝着气体传感器1喷射入倾斜的加热空气管道108(气体传感器1在水泵250下游区域中安装在倾斜的加热空气管道108上)，喷射五次，每次0.2cc。

对于图4B所示结构的水侵入阻力试验装置100，压缩空气流CA以12.6m/秒的流速引入加热腔104并用加热器106加热。然后，加热后的气流被传送到类似于图1所示废气管的加热空气管道108。在发生这种情况时，水滴WD从水泵250以每次体积0.2cc地喷射五次而喷射到气体传感器1的目标。水滴WD通过外壳体侧壁开口132和外壳体底壁开口133侵入气体传感器1的内部从而附着到气体感测元件11的前端部分11a上。

此后，卸下气体传感器1并从加热空气导管108移除，并且然后拆卸以暴露气体感测元件11。拍摄由于水滴WD而导致的气体感测元件11的水侵入标记WIM的照片。接着，对水侵入标记WIM进行如箭头BP所示的二值化处理操作以获得如图4B所示的二值化处理数据。这个数据输入到微型计算机以计算水滴附着表面积以便评测气体传感器1的水侵入阻力结果。

对于如图4A所示的水侵入阻力试验装置100，气体传感器1被设置为相对于加热空气管道108以45°的角度定向以允许气体传感器易于受到水滴WD影响。

图12所示的气体传感器1b用作比较例。图12所示气体传感器1b与图1所示本实施例的气体传感器1相同的那些组成部件具有同样的参考标号以省略对于相同组成部件的重复性描述。

具有如图12所示比较例的结构，内壳体底壁125C和外壳体底壁135C在同一平面上对齐，在该平面之下，在外壳体底壁135C上与形成于内壳体12上的内壳体底壁开口126C同心的区域中形成外壳体底壁开口133C。

图5是表示现有技术的气体传感器和第一实施例的气体传感器之间受到水滴的水侵入表面积的对比结果的图表。在图5的图表中，符号“○”：“穿过侧孔的目标流”表示受到穿过外壳体侧壁开口132进入的水滴的水侵入表面积。符号“●”：“穿过端孔的目标流”表示受到穿过外壳体底壁开口133进入的水滴的水侵入表面积。

如图5的图表所示，对于比较例的气体传感器，在水滴通过外壳体底壁开口133进入的情况下，气体感测元件具有大约40mm²范围内的水侵入表面积。相比之下，对于实施本发明的第一实施例的气体传感器，在水滴通过外壳体底壁开口133进入的情况下，气体感测元件具有大约10mm²范围内的水侵入表面积。因而，在水滴穿过外壳体底壁开口133时，甚至与现有技术的气体感测元件相比，第一实施例的气体传感器的气体感测元件的水侵入表面积的数值也会出现显著减小。

而且，对于比较例的气体传感器，在水滴通过外壳体侧壁开口132进入的情况下，气体感测元件具有大约6mm²范围内的水侵入表面积。相比之下，对于实施本发明的第一实施例的气体传感器，在水滴通过外壳体侧壁开口132进入的情况下，气体感测元件具有大约2mm²范围内的水侵入表面积。因而，甚至在水滴通过外壳体侧壁开口132进入时，与现有技术的气体感测元件相比，第一实施例的气体传感器的气体感测元件的水侵入表面积的数值也会出现显著减小。

因而，证明了与现有技术的气体传感器相比，实施本发明的第一实施例的气体传感器的水侵入阻力进一步增大。

而且，在气体传感器都安装在以2000rpm的发动机速度操作的3L6气缸型直接喷油发动机的废气通道中的试验条件下，在实施本发明的第一实施例的气体传感器和现有技术的气体传感器上进行阶跃响应试验。在阶跃响应试验期间，发动机在空燃比在数值“14”和“15”之间变化的情况下运转，并且测量到63％比率的变化时间。因而，进行阶跃响应试验并且相关的试验结果在图6的图表中示出。

图6示出了表示实施本发明的第一实施例的气体传感器和现有技术的气体传感器关于阶跃响应评测试验的阶跃响应(毫秒)中的变化的图表。

在图6的图表中，符号“○”表示当评测试验在空燃比从“15”变化到“14”之下进行时气体传感器中阶跃响应的变化。符号“●”表示当评测试验在空燃比从“14”变化到“15”之下进行时气体传感器中阶跃响应的变化。

如同将从图6的图表中理解到的，在实施本发明的第一实施例的气体传感器和现有技术的气体传感器中，即使在存在空燃比变化的情况下，阶跃响应中都几乎不存在差别。因而，这证明了第一实施例的气体传感器具有与现有技术的气体传感器相同的响应。

图7A是以放大的尺寸示出处于已装配状态的内壳体12和外壳体13的纵向横截视图，并且图7B是以放大的尺寸示出内壳体12和外壳体13的横向横截视图。

如图7A和7B所示，假设内壳体12的前端部分12b的锥形部分124具有从锥形部分124的外周边延伸的延长线124a，那么延长线124a就横截外壳体底壁134从而形成如图7B所示的相交圆124b。外壳体底壁开口133形成于外壳体13的底壁134上相交圆124b径向向外的区域中圆周地且等同地间隔开的位置处。对于形成于这样位置处的外壳体底壁开口133，外壳体底壁开口133采取其上测量气体沿着前端部分12b的锥形表面流动的延长线上的位置。这使得测量气体中的水滴易于通过外壳体底壁开口133脱离。因此，对于外壳体13具有形成于适当范围中的外壳体底壁开口133的结构，如图7B中相交圆124b外面的阴影区域所示，气体感测元件具有更少的水侵入。

图8A-8H示出了在外壳体形成有三至六个底壁开口之下的结构中的盖组件。

图8A是示出外壳体13的结构的纵向横截视图，其具有形成于同心圆上等间距的位置处的三个底壁开口133，并且图8B是图8A所示外壳体13的仰视图。在图8A中，参考标号“201”表示内和外壳体12，13的底壁之间的底面区域中的间隙(下文中也称为“底部间隙”)。

图8C是示出外壳体13的结构的纵向横截视图，其具有形成于同心圆上等间距的位置处的四个底壁开口133，并且图8D是图8C所示外壳体13的仰视图。在图8D中，参考标号“OP”表示其中形成外壳体底壁开口133的开口位置。

图8E是示出外壳体13的结构的纵向横截视图，其具有形成于同心圆上等间距的位置处的五个底壁开口133，并且图8F是图8E所示外壳体13的仰视图。

图8G是示出外壳体13的结构的纵向横截视图，其具有形成于同心圆上等间距的位置处的六个底壁开口133，并且图8H是图8G所示外壳体13的仰视图。

图9示出了关于根据本发明各个实施例的气体传感器的响应和水侵入表面积的试验结果。然而，阶跃响应试验在以低的发动机速度(也就是1000rpm的速度)运行的发动机上进行，其中气体传感器很可能会遭受水侵入。

在图9中，第一行表示在气体传感器的外壳体中形成有变化数量的底壁开口的情况下气体传感器上的试验结果，这在以1000rpm的发动机速度运行的发动机上进行试验。

在图9中，第一行示出了第一至第三图表中绘出的试验结果，它们表示阶跃响应(毫秒)、与气体传感器的端孔相关的水侵入表面积(mm²)以及与气体传感器的侧孔相关的水侵入表面积(mm²)中的变化。

此外，第二行示出了对外壳体底壁开口的直径变化的气体传感器进行的试验结果，第一至第三图表中绘出的试验结果表示阶跃响应(毫秒)、与气体传感器的端孔相关的水侵入表面积(mm²)以及与气体传感器的侧孔相关的水侵入表面积(mm²)中的变化。

此外，第三行示出了对外壳体底壁开口的开口形成位置不同的气体传感器进行的试验结果，第一至第三图表中绘出的试验结果表示阶跃响应(毫秒)、与气体传感器的端孔相关的水侵入表面积(mm²)以及与气体传感器的侧孔相关的水侵入表面积(mm²)中的变化。

而且，第四行示出了对气体传感器的内和外壳体的底壁之间不同底部间隙的气体传感器进行的试验结果，第一至第三图表中绘出的试验结果表示阶跃响应(毫秒)、与气体传感器的端孔相关的水侵入表面积(mm²)以及与气体传感器的侧孔相关的水侵入表面积(mm²)中的变化。

如同从图9的第一行中很明显的，即使在形成于气体传感器的外壳体13中的外壳体底壁开口的数量从“3”变化到“6”的情况下，气体传感器的阶跃响应几乎没有变化。

水侵入表面积这样变化，即，外壳体底壁开口的数量越大，从外壳体底壁开口侵入水滴的可能性越大，并且导致水侵入表面积增大。

此外，如同从图9的第一行中明显所示，受到通过外壳体底壁开口进入的水滴影响的水侵入表面积发生变化，以使得外壳体底壁开口的数量越大，水侵入表面积越大，即使增大程度很小。

因此，为了让气体传感器具有增大的水侵入阻力同时维持阶跃响应，将提供于气体传感器中的外壳体底壁开口的数量可优选地尽可能地小。然而，在外壳体13具有三个底壁开口的情况下，气体传感器水侵入阻力取决于外壳体底壁开口所导致的方向特性，其具有实际可加工性的困难。因此，考虑到实际可加工性，气体传感器优选地具有四个外壳体底壁开口。

气体传感器的阶跃响应这样变化，即，外壳体底壁开口的直径越大，气体传感器的阶跃响应将由于测量气体相对于气体传感器的交换速率增大而更高。

然而，随着外壳体底壁开口直径的增大，水滴从气体传感器的外壳体底壁开口侵入的可能性就增大，其结果是气体感测元件的水侵入表面积增大。

同时，随着外壳体底壁开口直径的增大，进入到内壳体内部的水滴易于通过外壳体底壁开口高速地排出。这使得气体感测元件的水侵入表面积减小。因此，考虑到可加工性，外壳体底壁开口可优选地选择具有数值落入从1.0mm至2.0mm的范围内的直径。

如上所述，外壳体底壁开口可优选地形成于外壳体底壁134上的、处于内壳体12的前端部分12b的锥形部分124的外表面延伸的延长线124a和外壳底壁134之间的相交线124b外侧的区域中。对于外壳体底壁形成于这种适当位置，外壳体底壁开口能布置在延长线上的一区域中，在该区域中测量气体沿着内壳体12的前端部分12b的锥形表面流动。这允许了测量气体中主要的水滴易于从气体传感器的外壳体底壁开口中脱离。

同时，即使将要形成外壳体底壁开口的开口位置在从6.0mm至7.0mm的范围内变化，气体传感器的阶跃响应和水侵入几乎没有变化。

因此，外壳体底壁开口的开口位置可优选地选择为落入从6.0mm至7.0mm的范围内的任意值。在考虑可加工性的可操纵性之下，外壳体底壁开口可优选地以7.0mm的数值形成。

这证明了内壳体底壁125和外壳体底壁134之间的底部间隙201(参见图8A)越大，气体传感器的阶跃响应越高。

然而，随着底壁间隙201增大，在这种增大的底壁间隙中不发生水滴的蒸发，使得水滴易于在其中自由地移动。这导致了气体传感器水侵入的增大。

而且，几乎没有由于底部间隙201(水滴在其下面通过气体传感器的外壳体底壁侵入)而对气体传感器的水侵入表面积产生负面影响。

因此，底部间隙201可优选地设置为处于等于或大于1.0mm和等于或大于3.0mm的范围内，并且考虑到气体传感器的响应和水侵入，更优选地在例如2.0mm的范围内。

图10是示出根据本发明第二实施例的气体传感器的结构的纵向横截视图。

第二实施例的气体传感器与图1所示第一实施例的气体传感器的不同之处在于外壳体13的结构。因而，第二实施例的气体传感器与第一实施例的气体传感器相同的组成部件具有同样的参考标记以省略重复性描述。

对于第二实施例的气体传感器1A，外壳体13A具有形成为基本上圆柱形形状的基端部分13Aa、以及起外壳体锥形部分136作用的锥形前端部分13Ab，锥形前端部分13Ab朝着外壳体13A的末端直径减小。

对于以这种结构形成的内壳体12和外壳体13，气体传感器1A的盖体结构具有环形空间200A，其介于内壳体12的锥形前端12b的外壁和外壳体13的锥形前端13Ab的内壁之间并且空间局部地变窄。这使得被引入外壳体13A内部的测量气体流以加大的流速朝着外壳体13A的底壁134流动。这使得准许通过外壳体侧壁开口132的测量气体中的主要水滴易于从外壳体底壁开口133中脱离。因此，本实施例的气体传感器1A的气体感测元件11具有增大的水侵入阻力。

图11示出了内壳体12的变型。虽然上面已经参照内壳体12具有形成为定位于内壳体12的基端部分12a中的凹陷部分中的多个切口形式的侧壁开口123描述了各个实施例的气体传感器，但是本发明并不限于这种结构。也就是，内壳体12的基端部分12a可形成有直径朝着前端部分12b减小的锥形部分124。对于以这种结构形成的内壳体12，多个侧壁开口123A可形成于锥形部分122上圆周地和等距地间隔开的位置中、朝着内壳体12的前端部分12b处于轴向地远离外壳体13的侧壁开口132的区域中。在此情况下，侧壁开口123A定向在向上的方向以具有从外部区域朝着内部区域指向的部件。这仅允许测量气体流被引入内壳体12的内部同时避免了包含在测量气体中的水滴的侵入。

虽然上面已经参照形式呈双层结构的盖体结构描述了本发明，但是本发明并不限于这种结构。也就是，盖体结构可形成为三层结构，另外地包括同心地布置在外壳体13的外侧区域上并与之为同心关系的最外盖。具有这种三层结构，气体传感器具有增大的保热性以稳定气体感测元件的活化状态。因此，这种结构的气体传感器在操作中具有增大的响应。

虽然已经参照包括例如层压类型气体感测元件的结构描述了本发明，但是本发明可应用于杯型的气体传感器。

而且，由本申请提交的日本专利申请No.2006-12407中公开的气体传感器的结构可适合地应用于内壳体侧壁开口。

虽然已经详细地描述了本发明的具体实施例，但是本领域的熟练技术人员将理解到，在本公开的总体教导之下，能对细节开发出各种变型和替换。因此，所公开的具体布置仅仅是示例性的而不是要限制本发明的范围，本发明的范围通过所附权利要求的全部范围及其所有等同来给出。

Claims (14)

1.一种用于检测测量气体中特定气体成分的浓度的气体传感器，包括：

具有基端部分和前端部分的浓度感测元件，用以检测测量气体中特定气体成分的浓度；

壳体，用于插入浓度感测元件以固定地支撑该浓度感测元件从而允许浓度感测元件的前端部分处于测量气体流流过的流道中；和

有底的圆柱形盖体结构，其由壳体固定地支撑并且具有圆柱形多层结构，其包括彼此直径不同并且相对彼此以同心的关系布置的内壳体和外壳体以便在暴露于测量气体流的区域中包围浓度感测元件的前端部分；

其中在内壳体的外周边和外壳体的内周边之间限定了环形侧面间隙；

其中内壳体具有基端部分和前端部分，内壳体的基端部分具有形成于从内壳体的外部区域朝着其内部区域向上指向的部件中的内壳体侧壁开口，内壳体具有其中心区域形成有内壳体底壁开口的内壳体底壁；

其中外壳体具有基端部分和前端部分，外壳体的基端部分具有多个用以准许测量气体流进入环形侧面间隙的外壳体侧壁开口；

其中外壳体的前端部分具有与内壳体底壁间隔开的外壳体底壁以在其间限定出底部间隙；和

其中多个外壳体底壁开口形成于外壳体底壁上，处于内壳体底壁开口径向外侧的外圆周区域中。

2.根据权利要求1的气体传感器，其中：

内壳体的前端部分可优选地包括朝着内壳体底壁直径减小的锥形部分。

3.根据权利要求1的气体传感器，其中：

内壳体包括：形成于内壳体的基端部分和前端部分之间的区域中且朝着内壳体底壁直径减小的锥形台肩；以及形成于内壳体的基端部分和前端部分之间的区域中的多个凹陷部分，其中内壳体侧壁开口在锥形台肩和所述多个凹陷部分中的至少之一中以切口形状形成。

4.根据权利要求1的气体传感器，其中：

外壳体的前端部分包括朝着外壳体底壁直径减小的锥形部分。

5.根据权利要求1的气体传感器，其中：

所述多个外壳体底壁开口包括形成于与外壳体的轴线同心的圆形区域中等距地间隔开的位置处的三至六个开口。

6.根据权利要求1的气体传感器，其中：

所述多个外壳体底壁开口形成于外壳体底壁上，处于沿着内壳体前端部分的锥形部分延伸的延长线和外壳体底壁之间的相交圆外侧的圆形区域中。

7.根据权利要求1的气体传感器，其中：

外壳体底壁开口每个都形成为圆形，其直径的数值等于或大于1.0mm并且等于或小于2.0mm。

8.根据权利要求1的气体传感器，其中：

外壳体底壁开口形成于外壳体底壁上并且和与外壳体的轴线同心且直径等于或大于6.0mm并且等于或小于7.0mm的圆相一致。

9.根据权利要求1的气体传感器，其中：

外壳体底壁和内壳体底壁之间的底部间隙为等于或大于1.0mm并且等于或小于3.0mm的数值。

10.根据权利要求1的气体传感器，其中：

内壳体包括形成于内壳体的基端部分和前端部分之间的区域中的锥形台肩，其直径朝着内壳体底壁减小；和

其中内壳体侧壁开口包括多个以切口形状形成的凹陷部分以便通向内壳体的上部内侧区域以允许被准许进入外壳体内部的测量气体在内壳体的上部内侧区域中向上流动。

11.根据权利要求1的气体传感器，其中：

内壳体包括形成于内壳体的基端部分和前端部分之间的区域中的锥形台肩，其直径朝着内壳体底壁减小；和

其中内壳体侧壁开口包括形成于锥形台肩上等距地间隔开的位置处的多个开口以便通向内壳体的上部内侧区域以允许被准许进入外壳体内部的测量气体在内壳体的上部内侧区域中向上流动。

12.根据权利要求1的气体传感器，其中：

外壳体具有圆柱形截面；

内壳体包括形成于内壳体的基端部分和前端部分之间的区域中的锥形台肩，其直径朝着内壳体底壁减小；和

其中内壳体侧壁开口通向内壳体的上部内侧区域以允许被准许进入外壳体内部的测量气体在内壳体的上部内侧区域中向上流动。

13.根据权利要求1的气体传感器，其中：

外壳体的基端部分具有圆柱形截面并且外壳体的前端部分具有锥形截面；

内壳体包括形成于内壳体的基端部分和前端部分之间的区域中的锥形台肩，其直径朝着内壳体底壁减小；和

其中内壳体侧壁开口通向内壳体的上部内侧区域以允许被准许进入外壳体内部的测量气体在内壳体的上部内侧区域中向上流动。

14.一种操作气体传感器以检测流过测量气体流道的测量气体中特定气体成分的浓度的方法，该方法包括：

准备具有基端部分和前端部分的浓度感测元件，用以检测测量气体中特定气体成分的浓度；

准备壳体，用于插入浓度感测元件以固定地支撑该浓度感测元件从而允许浓度感测元件的前端部分处于测量气体流流过的流道中；和

准备有底的圆柱形盖体结构，用于覆盖浓度感测元件的前端部分并且包括外壳体和内壳体，外壳体具有多个外壳体侧壁开口和多个外壳体底壁开口，内壳体具有多个朝着内壳体的底壁、形成于与外壳体侧壁开口轴向错开的区域中并通向内壳体上部内侧区域的内壳体侧壁开口，以及与外壳体的内周边径向地间隔开给定量的侧面间隙的锥形前端部分，该侧面间隙沿着内壳体的轴线在径向空间中变化，该内壳体具有与外壳体底壁轴向地间隔开给定量的底部间隙并且形成有多个内壳体底壁开口的内壳体底壁；

准许测量气体流通过外壳体侧壁开口进入外壳体的内部以允许测量气体流撞击内壳体的外壁；

将测量气体流朝着外壳体的底壁轴向向下地导向通过侧面间隙；

准许一部分测量气体流在外壳体侧壁开口下游的区域处通过内壳体侧壁开口流动到内壳体的上部内侧区域；

将其余测量气体流沿着内壳体的锥形前端部分的外周边通过侧面间隙和外壳体底壁开口排出到测量气体流道；和

将准许进入内壳体的那部分测量气体流通过内壳体底壁开口和外壳体底壁开口排出到测量气体流道。

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