CN101413909B - 气体传感器 - Google Patents

Abstract

一种气体传感器，其包括：金属壳；检测元件主体，其被金属壳保持；多孔质保护层，其被涂覆在检测元件主体的前端部上；以及包括侧壁的保护件，该侧壁围绕检测元件主体的从金属壳的前端突出的元件突出部。该侧壁具有形成在侧壁中且允许气体被导入的导入孔。多孔质保护层包括第一部分和第二部分，该第二部分相对于第一部分被设置在基端侧并且具有沿朝向检测元件主体的前端的方向逐渐减小的厚度。第二部分沿轴向被布置成比导入孔靠近检测元件主体的基端。

Description

气体传感器

技术领域

本发明涉及一种包括沿轴向延伸的筒状金属壳和沿轴向延伸并安装在该金属壳的径向内侧的检测元件主体的气体传感器，特别地，本发明涉及一种包括覆盖检测元件主体的轴向前端侧的多孔质保护层的气体传感器。

背景技术

已知使用被安装到汽车的排气管并且包括检测元件的气体传感器，该检测元件被构造成根据排气的特定成分(例如氧化氮、氧气等)的浓度改变电动势或者电阻值。

用包括多孔质陶瓷的多孔质保护层涂覆检测元件主体的前端部，以防止由于排气中的水滴附着到检测元件时产生的热冲击导致出现的破裂。多孔质保护层使附着到检测元件的水滴分散并且缓慢地吸收该水滴。因此，几乎不会在检测元件主体处产生大的热冲击，从而，可以防止检测元件主体的破裂。例如，日本特开2007-33374号公报(该对比文件的图1及相关说明)公开了具有这种保护层的气体传感器。

然而，多孔质保护层的基端具有可能由于使用时的振动和冲击而碎裂的尖角部分。当排气中的水滴附着到多孔质保护层的由于该碎裂而变薄或露出的部分时，在检测元件主体的变薄部分或者露出部分可能出现破裂。

发明内容

考虑到上述情况而作出了本发明，本发明的目的是提供一种具有能够防止由于多孔质保护层的基端处发生的碎裂而导致破裂的检测元件主体的气体传感器。

根据第一方面，本发明提供一种气体传感器，其包括：筒状金属壳，其沿着轴向从金属壳的前端延伸到金属壳的基端；板状检测元件主体，其沿着轴向从板状检测元件主体的前端延伸到板状检测元件主体的基端并且被保持在金属壳的径向内侧，该检测元件主体包括沿轴向从金属壳的前端突出的元件突出部；多孔质保护层，其涂覆在检测元件主体的前端部上；以及保护件，其被安装到金属壳并且包括在垂直于轴向的径向围绕元件突出部的侧壁，该侧壁具有形成在侧壁中并且允许气体被导入到由该侧壁限定的内部空间的导入孔，其中，多孔质保护层包括第一部分以及相对于该第一部分被设置在基端侧的第二部分，该第二部分具有沿朝向检测元件主体的基端的方向逐渐减小的厚度，并且多孔质保护层的第二部分沿轴向被布置成比导入孔靠近检测元件主体的基端。

在根据本发明的该方面的气体传感器中，多孔质保护层的相对于第一部分被定位在基端侧的第二部分被成形为使得它的厚度朝向基端侧逐渐变薄。也就是说，第二部分不具有如现有技术的多孔质保护层的基端那样的尖角部分。因此，可以防止由使用时气体传感器受到振动和冲击所引起的第二部分处的碎裂；可以防止碎裂部分处的多孔质保护层变薄；并且可以防止碎裂部分处的检测元件主体露出。因此，即使排气中的水滴附着到第二部分，检测元件主体也不容易破裂。

此外，由于第二部分相对于形成在保护件的围绕元件突出部的侧壁的导入孔被布置在基端侧，因此，水滴难以穿过导入孔附着到第二部分。因此，气体传感器可以可靠地防止检测元件主体的破裂。

多孔质保护层的第二部分被成形为使得其厚度朝向基端侧逐渐减小。厚度朝向基端侧逐渐减小的第二部分的形状的例子包括锥状、R状(圆弧状)等。

多孔质保护层的第一部分从检测元件主体的前端到第二部分涂覆检测元件主体的周围。保护件可以是一重结构保护件和层叠两个以上的保护件的多重结构保护件中的任一种。在多重结构保护件中，位于最内侧并且直接地(即，在该保护件和检测元件之间不存在其它保护件的情况下)围绕检测元件主体的保护件与该方面限定的“保护件”对应。

在本发明的第二方面中，第一方面所述的气体传感器可以被成形为使得多孔质保护层的第二部分的轴向长度不小于多孔质保护层的第一部分的厚度且不大于3毫米。

由于多孔质保护层的第二部分的轴向长度不小于第一部分的厚度但不大于3毫米，因此，可以可靠地防止由于使用时气体传感器受到振动和冲击导致的第二部分处的破裂。因此，可以提供具有高可靠性的气体传感器，从而有效地防止检测元件主体的破裂。

在第三方面中，本发明提供第一或第二方面所述的气体传感器，其中，第一部分的厚度不小于100微米且不大于600微米。

如果多孔质保护层的第一部分的厚度太薄，例如小于100微米，则担心不能获得多孔质保护层所需的充分效果，例如防止由于水滴附着到多孔质保护层时的热冲击导致检测元件主体的破裂。另一方面，如果多孔质保护层的第一部分太厚，例如大于600微米，则由于加热器升温过程中的热量被传递到多孔质保护层，因此，检测元件主体的热激活可能被延迟，因此，气体传感器加热器的消耗电力增加并且气体传感器的检测灵敏度降低。

相反地，由于在根据第三方面所述的气体传感器中多孔质保护层的第一部分的厚度不小于100微米，因此，可以获得如下充分的效果：多孔质保护层可以防止由水滴附着所产生的破裂。此外，由于多孔质保护层的第一部分的厚度不大于600微米，因此，可以充分缩短激活检测元件所需的时间，并且可以降低加热器的消耗电力。另外，提高了气体传感器的检测灵敏度。

在第四方面中，本发明提供第一至第三方面中的任一方面所述的气体传感器，其中，第一部分的截面具有平滑弯曲的外形。换句话说，第一部分平滑地覆盖元件突出部。

在第四方面的气体传感器中，多孔质保护层的第一部分平滑地覆盖检测元件主体的元件突出部。也就是说，由于检测元件主体是板状的，因此，具有由三个表面形成的顶点的元件突出部具有由主表面(板面)和侧面、主表面和前端面、侧面和前端面形成的脊(边)。即使元件突出部具有这种结构，涂覆元件突出部的多孔质保护层的第一部分的整个外表面被成形为平滑的且没有任何尖角部分。因此，可以有效地防止由于使用时气体传感器受到振动和冲击引起的第一部分的破裂。因此，可以获得高可靠性的气体传感器。

在第五方面中，本发明提供第一至第四方面中的任一方面所述的气体传感器，其中，第一部分和保护件之间的最小间隙大于等于0.5毫米。

如果第一部分和保护件之间的最小间隙太小，例如小于0.5毫米，则与被测量气体一起进入保护件的内部的水滴易于附着从而积聚在保护件和第一部分之间。此外，一度附着到保护件的内周面上的水滴可能在内周面上移动，并且可能附着到第一部分。

相反地，在第五方面中，由于检测元件和保护件之间的最小间隙大于等于0.5毫米，因此，即使水滴与被测量气体一起进入保护件的内部，该水滴也几乎不会附着到第一部分。此外，即使一度附着到保护件的内周侧的水滴移动，该水滴也几乎不会附着到第一部分。因此，可以可靠地防止由于水滴附着时的热冲击所引起的检测元件主体的破裂。

根据第六方面，本发明提供第一至第五方面中的任一方面所述的气体传感器，其中，第二部分被布置金属壳中。

在根据第六方面的气体传感器中，第二部分被布置在金属壳的内部。因此，由于金属壳作为屏障物，因此，水滴几乎不会附着到第二部分。因此，第六方面提供了可以有效地防止检测元件主体的破裂的气体传感器。

根据第七方面，本发明提供第六方面所述的气体传感器，其中，金属壳和第一部分之间的最小间隙小于等于1.45毫米。

如果金属壳和第一部分之间的最小间隙太大，例如大于1.45毫米，则与被测量气体一起进入保护件的内部的水滴易于进入金属壳和检测元件主体(第二部分)之间的间隙，结果，水滴趋于附着到第二部分。

相反地，由于在第七方面中金属壳和第一部分之间的最小间隙小于等于1.45毫米，因此，即使水滴与被测量气体一起进入保护件的内部，该水滴也几乎不会附着到第二部分。因此，可以可靠地防止由于水滴附着时的热冲击引起的检测元件主体的破裂。

在第八方面中，本发明提供第六或第七方面所述的气体传感器，其中，第二部分和金属壳的前端之间的距离大于金属壳和第一部分之间的最小间隙。因此，即使水滴与被测量气体一起进入保护件的内部，该水滴也几乎不会附着到第二部分。因此，可以可靠地防止由于水滴附着时的热冲击所引起的检测元件主体的破裂。根据第九方面，在第六至第八方面中的任一方面所述的气体传感器中，优选金属壳和第一部分之间的最小间隙小于导入孔的直径。

附图说明

图1是示出根据本发明的实施例的传感器的部分剖视图；

图2是从检测元件的侧面侧观察的根据该实施例的气体传感器的前端侧部分的剖视图；

图3是从检测元件的板面侧观察的根据该实施例的气体传感器的前端侧部分的剖视图；

图4是示出根据该实施例的气体传感器的检测元件的前端侧部分的俯视图；

图5是示出根据该实施例的气体传感器的检测元件的检测元件主体的分解立体图；

图6是根据该实施例的气体传感器的检测元件的前端侧部分的剖视图(沿图4中的线A-A截取的剖视图)；

图7是说明根据该实施例的气体传感器的制造方法并且示出涂覆溶液从前端侧喷涂到检测元件主体上从而形成未烘焙(unfired)的多孔质保护层的喷涂状态的示意图；

图8是说明根据该实施例的气体传感器的制造方法并且示出涂覆溶液从径向外部喷涂到检测元件主体上从而形成未烘焙的多孔质保护层的喷涂状态的示意图。

具体实施方式

参照附图说明本发明的实施例。然而，本发明不应该被解释为局限于该实施例。图1示出了根据本发明的实施例的气体传感器100。图2和图3是示出气体传感器100的前端侧部分的放大图。图4是示出气体传感器100的检测元件200的前端侧部分的俯视图。图5是示出检测元件200的检测元件主体201的立体图。图6是示出检测元件200的前端侧部分的剖视图(沿图4中的线A-A截取的剖视图)。在图1至图4中，图中的下侧与轴线AX方向的前端侧(在下文中也被称为“前端侧”)对应，图中的上侧与轴线AX方向的基端侧(在下文中也被称为“基端侧”)对应。在图5中，左侧与前端侧对应，右侧与基端侧对应。

该实施例示出了可被安装到汽车的排气管(未示出)从而基于排气中含有的氧气(特定的气体成分)的浓度测量排气的空燃比的满量程空燃比(full-range air-fuel ratio)传感器作为气体传感器100的例子。在该实施例中，检测元件200被设置在排气管的内部并且暴露于在排气管中流动的排气(被检测气体)中。如图1所示，气体传感器100包括：筒状金属壳110，其沿与轴线AX平行的方向(以下被称为“轴线AX方向”或者“轴向”)延伸；板状检测元件200，其被安装在金属壳110的内部；外筒151，其被固定在金属壳110的基端侧；以及保护件160，其被固定在金属壳110的前端侧。

检测元件200包括板(带)状的检测元件主体201，该检测元件主体201沿着轴线AX方向延伸并且具有宽度(W)(例如4毫米)和厚度(D)(例如1.5毫米)(参见图6)。检测元件主体201具有第一板面201a、第二板面201b、第一侧面201c和第二侧面201d(参见图4和图6)。如图1所示，检测元件主体201包括：元件突出部202，其从金属壳110的前端侧开口端110s朝向前端侧(图中的下方)突出；主干部(barrel portion)207，其径向圆周被金属壳110包围；以及元件基端部209，其从金属壳110朝向基端侧(图中的上方)突出。

带底的筒状的金属制的杯状物131(以下简称为金属杯状物131)被布置在从检测元件200的主干部207的中央稍稍偏向前端侧的位置，使得检测元件200被插入到形成在金属杯状物131底部的开口131c中，并且检测元件200的前端侧部分从开口131c突出。金属杯状物131将检测元件200保持在金属壳110中，并且具有前端周缘部132，该前端周缘部132是使得金属杯状物131的直径朝向前端侧减小的锥状。在检测元件200被插入到金属杯状物131中的状态下，使氧化铝制的陶瓷环133和由被压缩的滑石粉形成的第一滑石环135容纳在金属杯状物131中。在金属杯状物131中粉碎第一滑石环135，并且将第一滑石环135完全填充在金属杯状物131中。因此，检测元件200被定位和保持在金属杯状物131中。

与金属杯状物131形成为一体的检测元件200被保持成使得检测元件的径向周边被筒状金属壳110围绕。金属壳110将气体传感器100安装并固定到汽车的排气管，并且金属壳110可由如SUS403等低碳不锈钢制成。用于安装到排气管的外螺纹部111形成在金属壳110的外周的前端侧。金属壳110包括位于外螺纹部111的前端侧的突出的环状前端固定部113，保护件160被固定到该固定部113。

金属壳110还包括位于金属壳110的外周的中央的用于接合安装工具的工具接合部117。当气体传感器被安装到排气管时用于防止气体损失的垫圈119被插入和装配在工具接合部117和外螺纹部111之间。此外，形成在工具接合部117的基端侧的基端固定部116允许外筒151固定在其上。弯边(crimp)并将检测元件200保持在金属壳110中的弯边部118相对于基端固定部116形成在基端侧。

具有直径朝向前端侧减小的锥状的台阶部115形成在金属壳110的内周的前端侧。金属杯状物131的用于保持检测元件200的具有锥状的前端周缘部132接合台阶部115。在检测元件200插入通过第二滑石环137的状态下将第二滑石环137布置在金属壳110的内部的金属杯状物131的基端侧。筒状套筒141被装配在金属壳110中，从基端侧加压第二滑石环137。台阶状的肩部142形成在套筒141处。环状弯边填料143被布置在肩部142处。金属壳110的弯边部118被弯边，以经由弯边填料143朝向前端侧加压套筒141的肩部142。

粉碎压靠套筒141的第二滑石环137并将该第二滑石环137完全填充在金属壳110中。借助于预先填充在金属杯状物131中的第二滑石环137和第一滑石环135将金属杯状物131和检测元件200定位和保持在金属壳110中。由夹在弯边部118和套筒141的肩部142之间的弯边填料143来保持金属壳110的气密性，该弯边填料143防止了燃烧气体的渗出。

在检测元件200中，检测元件的基端部209从作为金属壳110的基端部的弯边部118突出，包括绝缘陶瓷的筒状分隔件(separator)145覆盖元件基端部209。分隔件145在内部保持五个连接端子147(图1中仅示出了其中一个)，每个连接端子147与形成在检测元件200的元件基端部209上的对应的五个电极片235电连接。每一个连接端子147与被引出到气体传感器100的外部的对应的五根导线(图1中仅仅示出了其中三根)电连接。分隔件145容纳连接端子147和导线149，使得各连接部分彼此绝缘。

筒状外壳151被布置成围绕分隔件145。外壳151通常由不锈钢(在本实施例中是根据日本工业标准的SUS304)制成，并且外壳151的前端开口部152被布置在金属壳110的基端固定部116的径向外侧。通过使前端开口部152弯边并且激光焊接其整个圆周将前端开口部152安装到基端固定部116。

另外，金属制的筒状保持金属配件153被布置在外壳151和分隔件145之间。保持金属配件153包括通过使保持金属配件153的基端向内弯曲、然后向前端侧弯曲形成的支撑部154。保持金属配件153通过使凸台部146(该凸台部146呈凸台状并且设置在分隔件145的被插入到保持金属配件中的基端侧的外周上)与支撑部154接合来支撑分隔件145。在该状态下，从外部使布置保持金属配件153的部分处的外壳151弯边，并且支撑分隔件145的保持金属配件153被固定到外壳151。

由氟基橡胶制成的密封圈155被装配在外壳151的基端侧开口中。密封圈155具有五个插入孔156(图1中仅仅示出了其中一个)，并且以气密状态将从分隔件145延伸的五根导线149插入到各自插入孔156中。在该状态下，在使密封圈155向前端侧按压分隔件145的同时，从外壳151的外部使密封圈155弯边，并且将密封圈固定到外壳151。

由金属壳110保持的检测元件200包括从金属壳110的前端侧开口端110s朝向前端侧突出的元件突出部202。保护件160被装配到前端固定部113并且通过激光焊接固定。保护件被构造成保护检测元件200的元件突出部202不会由于排气中的沉着物(如燃料灰和油成分等毒性附着物质)而污损并且不会由于水而破损。保护件160具有包括带底的筒状内侧保护件161和筒状外侧保护件171的双重结构，该筒状外侧保护件171被构造成经由气隙(间隙)包围内侧保护件161的径向周围。

内侧保护件161呈筒状并且具有底部，该内侧保护件161包围检测元件200的元件突出部202的前端侧(图中的下方)和径向外侧(图中的左右方向)，并且内侧保护件161在元件突出部202布置在其内部的状态下被固定到金属壳110。在内侧保护件161中，多个内侧导入孔167相对于检测元件200的前端200s(多孔质保护层240的前端侧端240s)被设置在基端侧。每一个内侧导入孔167允许排气从内侧保护件161的外部导入到内侧保护件161的内部。在本实施例中，内侧导入孔167的直径是例如1.5毫米。内侧导入孔作为导入孔。内侧保护件161具有在内侧保护件161的前端侧部分朝向内部切入并开口的多个排水孔166。排水孔166相对于检测元件200的前端200s形成在前端侧。内侧保护件161具有形成在内侧保护件161的底壁的中央且被构造成将排气和水排出到外部的排出孔164。

外侧保护件171在经由气隙包围内侧保护件161的径向周围的状态下被固定到金属壳110。使外侧保护件171的前端部172朝向内侧保护件161向内弯曲。因此，内侧保护件161和外侧保护件171之间的气隙(间隙)被封闭。沿圆周方向在外侧保护件171的相对于检测元件200的前端200s的前端侧的预定位置上布置多个外侧导入孔177。每一个外侧导入孔177均允许排气从外侧保护件171的外部导入到外侧保护件171的内部。朝向内侧延伸的板状引导体178被设置在各自的外侧导入孔177中。因此，产生了通过外侧导入孔177从外部导入到内部的排气的回旋流，使得排气在外侧保护件171和内侧保护件161之间所限定的气隙内绕轴线AX沿圆周方向回旋。

接着，说明检测元件200。包括多孔质氧化铝的多孔质保护层240被涂覆在检测元件200的元件突出部202的全部外表面上以及主干部207的前端侧的一部分的外表面上。

多孔质保护层240包括厚度朝向基端侧(图中的上方)逐渐减小的缩径部247。如图4所示，缩径部247被设置在多孔质保护层240的在轴线AX方向上距基端240k小于等于长度tk(参见图4)的范围内限定的区域中。该长度tk小于等于3毫米(例如，在本实施例中为1毫米)。在本实施例中，缩径部247是厚度朝向基端侧与在轴线AX方向上距缩径部247的前端的距离成比例地减小的锥状。缩径部247布置得比金属壳110的前端侧开口端110s(朝向基端侧)深3毫米(对应于图3中的距离I)。换句话说，虽然稍后还将更详细地说明，距离I大于金属壳110和涂层部242(基端侧涂层部243)之间的最小间隙H。

在多孔质保护层240处，涂层部242相对于缩径部247被设置在前端侧(参见图2和图3)。涂层部242包括前端侧涂层部241和基端侧涂层部243。前端侧涂层部241相对于金属壳110的前端侧开口端110s被布置在前端侧，并且覆盖整个元件突出部202。基端侧涂层部覆盖金属壳110中的主干部207的前端侧的一部分。因此，前端侧涂层部241从金属壳110的前端侧开口端110s朝向前端侧突出。另一方面，基端侧涂层部243相对于前端侧开口端110s被定位在基端侧。

前端侧涂层部241平滑地覆盖检测元件主体201的元件突出部202，也就是说，前端侧涂层部241的外表面没有任何尖角(参见图2至图4以及图6)。前端侧涂层部241的角部245是圆弧形的。

多孔质保护层240的涂层部242的厚度dk(参见图4和图6)被设定成大于等于100微米但是小于等于600微米(在本实施例中为400微米)。此外，多孔质保护层240和内侧保护件161之间的最小间隙G(参见图3)大于等于0.5毫米(在本实施例中为1毫米)。此外，多孔质保护层240(基端侧涂层部243)和金属壳110之间的最小间隙H(参见图3)小于等于1.45毫米(在本实施例中为1.25毫米)。最小间隙H小于内侧保护件161的内侧导入孔167的直径。

如图5和图6所示，通过同时烘焙多个彼此层叠的层而形成检测元件主体201。这些层包括：传感器功能部250，其被构造成检测特定的气体成分；保护部260，其层叠在传感器功能部250的一侧并且被构造成保护传感器功能部250；以及加热器部270，其层叠在传感器功能部250的另一侧并且被构造成加热传感器功能部250，以快速激活传感器功能部250。

传感器功能部250包括氧气抽吸单元251、氧气浓度检测单元253和层叠在氧气抽吸单元251和氧气浓度检测单元253之间的绝缘层219。

氧气抽吸单元251包括第一固体电解质层215以及分别形成在第一固体电解质层215的两面上的第一电极213和第二电极217。第一固体电解质层215包括部分稳定的氧化锆烧结体，该部分稳定的氧化锆烧结体含有作为主要成分的氧化锆以及添加的作为稳定材料的氧化钇或者氧化钙。第一通孔导体215a和第二通孔导体215b形成在第一固体电解质层215的基端侧的预定位置，并且贯穿第一固体电解质层215。

第一电极213含有作为主要成分的铂并且包括：第一电极部213a，其形成在前端侧的预定位置并且在俯视图中具有大致矩形形状；以及第一引线部(lead portion)213b，其从第一电极部213a朝向基端侧延伸。第一引线部213b的基端部与形成在保护主体层211处的第八通孔导体211c电连接。

第二电极217含有作为主要成分的铂并且包括：第二电极部217a，其形成在前端侧的预定位置并且在俯视图中具有大致矩形形状；以及第二引线部217b，其从第一电极部217a朝向基端侧延伸。第二引线部217b与形成在第一固体电解质层215处的第二通孔导体215b电连接，并且与形成在绝缘层219处的第五通孔导体219b电连接。

氧气浓度检测单元253包括第二固体电解质层223以及分别形成在第二固体电解质层223的相反面上的第三电极221和第四电极225。第二固体电解质层223包括部分稳定的氧化锆烧结体，该部分稳定的氧化锆烧结体含有作为主要成分的氧化锆以及添加的作为稳定材料的氧化钇或者氧化钙。第三通孔导体223a形成在第二固体电解质层223的基端侧的预定位置，并且贯穿第二固体电解质层。

第三电极221含有作为主要成分的铂并且包括：第三电极部221a，其形成在前端侧的预定位置并且在俯视图中具有大致矩形形状；以及第三引线部221b，其从第三电极部221a朝向基端侧延伸。第三引线部221b的基端部与形成在绝缘层219处的第五通孔导体219b电连接。

第四电极225含有作为主要成分的铂并且包括：第四电极部225a，其形成在前端侧的预定位置并且在俯视图中具有大致矩形形状；以及第四引线部225b，其从第四电极部225a朝向基端侧延伸。第四引线部225b的基端部与形成在第二固体电解质层223处的第三通孔导体223a电连接。

绝缘层219含有作为主要成分的氧化铝并且具有形成为贯穿绝缘层219的气体检测室219d。该气体检测室219d在俯视图中具有大致矩形形状，并且被设置在与第二电极部217a和第三电极部221a对应的位置。绝缘层219还包括分别设置在气体检测室219d的宽度方向的两侧的扩散速率控制部220。该扩散速率控制部220能够使气体在预定速率控制条件下在元件外部和气体检测室219d之间进行气体扩散。每一个扩散速率控制部220均包括氧化铝多孔体。

在绝缘层219的基端侧的预定位置，绝缘层具有贯穿该绝缘层的第四通孔导体219a和第五通孔导体219b。第四通孔导体219a与形成在第一固体电解质层215处的第一通孔导体215a电连接，并且还与形成在第二固体电解质层223处的第三通孔导体223a电连接。第五通孔导体219b与第二电极217的第二引线部217b电连接，并且还与第三电极221的第三引线部221b电连接。

接着，说明保护部260。保护部260包括保护主体层211，该保护主体层211含有作为其主要成分的氧化铝。保护主体层211具有在俯视图中呈大致矩形形状的开口211d，贯穿保护主体层211并且被设置在与第一电极部213a对应的位置处。含有作为主要成分的铝的多孔质气体导入部212被设置在开口211d处，封闭开口211d。

沿着宽度方向在保护主体层211的表面上的基端侧的预定位置处布置三个电极片235。第六通孔导体211a、第七通孔导体211b和第八通孔导体211c分别形成在保护主体层211的基端侧的预定位置处，贯穿保护主体层211。第六通孔导体211a与其中一个电极片235电连接，并且还与形成在第一固体电解质层215处的第一通孔导体215a电连接。第七通孔导体211b与电极片235中的另一个电连接，并且还与形成在第一固体电解质层215处的第二通孔导体215b电连接。第八通孔导体211c与电极片235中的除上述两个之外的另一个电连接，并且还与形成在第一电极213处的第一引线部213b电连接。

接着，说明加热器部270。加热器部270包括：第一加热器绝缘层227，其具有电绝缘性；第二加热器绝缘层231，其具有电绝缘性；以及发热电阻器229，其被置于第一加热器绝缘层227和第二加热器绝缘层231之间并且被构造成通过使电流通过第一加热器绝缘层227和第二加热器绝缘层231之间而发热。第一加热器绝缘层227含有作为主要成分的氧化铝，并且被层叠在传感器功能部250上。第二加热器绝缘层231含有作为主要成分的氧化铝。

第九通孔导体231a和第十通孔导体231b分别形成在第二加热器绝缘层231的基端侧的预定位置，贯穿第二加热器绝缘层231。沿着宽度方向在第二加热器绝缘层231的表面上的基端侧的预定位置处布置两个电极片235。一个电极片235与第九通孔导体231a电连接。另一个电极片235与第十通孔导体231b电连接。

发热电阻器229包括：曲折状的发热部229a，其布置在前端侧的预定位置处；第一加热器引线部229b，其从发热部229a的一端朝向基端侧延伸；以及第二加热器引线部229c，其从发热部229a的另一端朝向基端侧延伸。第一加热器引线部229b的基端部与形成在第二加热器绝缘层231处的第九通孔导体231a电连接。第二加热器引线部229c的基端部与形成在第二加热器绝缘层231处的第十通孔导体231b电连接。

接着，说明气体传感器100和检测元件200的制造方法。在下面的说明中，为了方便起见，用相同的附图标记表示烘焙后构件和与烘焙后构件对应的烘焙前构件(参见图5和图6)。

首先，制备通过湿混和来分散第一原料粉末和增塑剂而形成的浆料。该第一原料粉末含有97重量％的氧化铝粉末和作为烧结调节剂的3重量％的二氧化硅，并且该增塑剂包含丁醛树脂和邻苯二甲酸二丁酯(DBP)。在利用刮刀装置由片成形技术使浆料成形为片状之后，将该片切割成具有预定尺寸，从而获得与绝缘层219对应的未烘焙(未加工)绝缘层219、与保护主体层211对应的未烘焙保护主体层211、与第一加热器绝缘层227对应的未烘焙第一加热器绝缘层227以及与第二加热器绝缘层231对应的未烘焙第二加热器绝缘层231。其后，在未烘焙绝缘层219中形成气体检测室219d。另外，在未烘焙保护主体层211中形成开口211d。

另一方面，制备通过湿混和来分散第二原料粉末和增塑剂而形成的另一种浆料。该第二原料粉末含有63重量％的氧化铝粉末、作为烧结调节剂的3重量％的二氧化硅和34重量％的碳粉末，并且该增塑剂包含丁醛树脂和邻苯二甲酸二丁酯(DBP)。因此，获得与气体导入部212对应的未烘焙气体导入部212。

此外，制备通过湿混和来分散氧化铝粉末(100wt％)以及含有丁醛树脂和DBP的增塑剂而形成的另一种浆料。因此，由该浆料获得与扩散速率控制部220对应的未烘焙扩散速率控制部220。

制备通过湿混和来分散第三原料粉末和增塑剂而形成的另一种浆料。该第三原料粉末含有97重量％的氧化锆粉末和作为烧结调节剂的二氧化硅(SiO₂粉末和氧化铝粉末合计为3重量％)，并且该增塑剂含有丁醛树脂和DBP。因此，获得与第一固体电解质层215对应的未烘焙第一固体电解质层215和与第二电解质层223对应的未烘焙第二固体电解质层223。

其后，通过以如图5所示的元件为基准从下方顺次层叠如下相关物质来形成未烘焙层叠体：未烘焙第二加热器绝缘层231、与发热电阻器229对应的未烘焙发热电阻器229、未烘焙第一加热器绝缘层227、与第四电极225对应的未烘焙第四电极225、未烘焙第二固体电解质层223、与第三电极221对应的未烘焙第三电极221、未烘焙绝缘层219、与第二电极217对应的未烘焙第二电极217、未烘焙第一固体电解质层215、与第一电极213对应的未烘焙第一电极213以及未烘焙保护主体层211。

具体地，利用含有铂作为主要成分的膏(paste)通过丝网印刷术(screen printing)在未烘焙第二加热器绝缘层231上形成未烘焙发热电阻器229。然后，在未烘焙第二加热器绝缘层231和未烘焙发热电阻器229上层叠未烘焙第一加热器绝缘层227。

利用含有90重量％的铂和10重量％的氧化锆粉末的铂膏通过丝网印刷术在未烘焙第二固体电解质层223的一个表面上形成未烘焙第四电极225。在未烘焙第一加热器绝缘层227上层叠包括未烘焙第四电极225的未烘焙第二固体电解质层223，使得未烘焙第四电极225被夹在未烘焙第一加热器绝缘层227和未烘焙第二固体电解质层223之间。其后，利用含有90重量％的铂和10重量％的氧化锆粉末的铂膏通过丝网印刷术在未烘焙第二固体电解质层223上形成未烘焙第三电极221。

接着，在未烘焙第二固体电解质层223和未烘焙第三电极221上层叠未烘焙绝缘层219和未烘焙扩散速率控制部220。烘焙之后，在与气体检测室219d对应的部分上印刷含有碳作为主要成分的膏。

利用含有90重量％的铂和10重量％的氧化锆粉末的铂膏通过丝网印刷术在未烘焙第一固体电解质层215的一个表面上形成未烘焙第二电极217。在未烘焙绝缘层219上层叠包括未烘焙第二电极217的未烘焙第一固体电解质层215，使得未烘焙第二电极217被夹在未烘焙绝缘层219和未烘焙第一固体电解质层215之间。其后，利用含有90重量％的铂和10重量％的氧化锆粉末的铂膏通过丝网印刷术在未烘焙第一固体电解质层215上形成未烘焙第一电极213。

接着，在未烘焙第一固体电解质层215和未烘焙第一电极213上层叠未烘焙保护主体层211。在未烘焙保护主体层211上预先形成与气体导入部212对应的未烘焙气体导入部212。因此，这样形成了未烘焙层叠体。

接着，在1MPa下对未烘焙层叠体加压并且使其压配合之后，将该未烘焙层叠体切割成预定尺寸。其后，从该未烘焙层叠体中除去树脂，并且进行将未烘焙层叠体保持在1500℃的烘焙温度下一个小时的常规烘焙，由此获得检测元件主体201。

接着，混和尖晶石粉末和氧化钛粉末，并且通过添加作为挥发性溶剂的乙醇进一步混和，从而获得涂层溶液。如图7和图8所示，涂层溶液被喷到检测元件主体201上，形成并且干燥烘焙后变成多孔质保护层240的未烘焙多孔质保护层240。

具体地，如图7所示，在检测元件主体201的元件突出部202从第一保持夹具300突出的状态下，由第一保持夹具300保持检测元件主体201的基端侧部分(主干部207和元件基端部209)。接着，通过利用针型喷嘴的喷涂装置320从检测元件主体201的前端侧在检测元件主体201的元件突出部202上涂覆涂层溶液。此时，由布置在检测元件主体201的径向外部的吸引装置330回收散布到周边的陶瓷粉末(即，作为乙醇已挥发的涂层溶液的残余物的物质)。由吸引装置330回收的陶瓷粉末被分散在乙醇中并且被再次使用。

接着，从第一保持夹具300中移出检测元件主体201。接着，如图8所示，在检测元件主体201的元件突出部202和作为主干部207的前端侧的一部分的主干部前端侧部分207a从第二保持夹具310突出的状态下，由第二保持夹具310保持检测元件主体201的基端侧部分(作为主干部207的另一部分的主干部基端侧部分207b和元件基端部209)。第二保持夹具310包括突出部311，该突出部311在其前端限定圆锥状凹部313。通过使第二保持夹具310绕其轴线旋转，在检测元件主体201绕其轴线旋转的同时，由使布置在检测元件主体201的径向外部的喷涂装置320在检测元件主体201上涂覆涂层溶液。由于在涂层溶液附着到检测元件主体201的表面时挥发性溶剂挥发，因此，在检测元件主体201(元件突出部202和主干部前端侧部分207a)的表面上形成由干燥后的陶瓷原料粉末制成的层。

第二保持夹具310包括作为屏障物的突出部311，该突出部311被构造成朝向基端侧逐渐减少涂布在检测元件主体201的主干部前端侧部分207a的基端侧部分(第二保持夹具310附近)上的涂层溶液的量。该部分在烘焙后变成缩径部。

接着，在大气条件下，使该状态的检测元件主体201的温度升高，并且经受最高温度保持在1000℃的热处理一个小时。其后，由空气冷却检测元件主体201，由此获得包括多孔质保护层240的检测元件200。

将由上述方法制造的检测元件200插入到金属杯状物131中，然后用陶瓷环133和第一滑石环135固定该检测元件200，从而形成组件。接着，将该组件插入到安装了保护件160的金属壳110中，然后插入第二滑石环137、套筒141和弯边填料143。该组件在金属壳110的弯边部118被弯边，从而形成下部组件。另一方面，将外壳151、分隔件141和密封圈155等组装到该组件，从而形成上部组件。其后，使下部组件和上部组件接合以完成气体传感器100。

如上所述，在本实施例中，由于多孔质保护层240的缩径部247是厚度朝向基端侧逐渐减小的锥状，因此，缩径部247没有任何尖角。因此，可以防止由于使用时气体传感器受到振动和冲击引起的缩径部247的碎裂，该碎裂使碎裂部分处的多孔质保护层240变薄或者使碎裂部分处的检测元件主体201露出。因此，即使排气中的水滴附着到缩径部247，检测元件主体201也几乎不会破裂。另外，缩径部247相对于包围多孔质保护层240的内侧保护件161的内侧导入孔167被布置在基端侧。因此，通过内侧导入孔167的水滴几乎不会附着到缩径部247。因此，有效地防止气体传感器100的检测元件主体201的破裂。

多孔质保护层240的缩径部247沿轴线AX方向的长度tk大于等于涂层部242的厚度dk，但是小于等于3毫米。因此，可以可靠地防止由于使用时气体传感器的振动和冲击引起的缩径部247的碎裂。

多孔质保护层240的涂层部242的厚度dk大于等于100微米。因此，可以充分地获得多孔质保护层240的效果，如防止由水滴附着所引起的破裂的效果等。另一方面，当多孔质保护层240的涂层部242的厚度dk小于等于600微米时，可以充分缩短由发热电阻器229加热时使检测元件200达到激活温度所需的激活时间，并且可以降低发热电阻器229的消耗电力。此外，提高了检测元件200的检测灵敏度。

多孔质保护层240的涂层部242平滑地覆盖检测元件主体201的元件突出部202。因此，能够防止由于使用时气体传感器的振动和冲击所引起的涂层部242的碎裂。

在本实施例中，涂层部242和内侧保护件161之间的最小间隙G大于等于0.5毫米。因此，即使水滴与被检测气体一起进入内侧保护件161，水滴也几乎不会附着到涂层部242。此外，可以防止附着到内侧保护件161的内周面的水滴接触涂层部242。因此，可以可靠地防止由于水滴附着时的热冲击所引起的检测元件200的破裂。

缩径部247被布置在金属壳110内。因此，金属壳110起到屏障物的功能，并且水滴几乎不会附着到缩径部247。因此，气体传感器100可以有效地防止检测元件主体201的破裂。

金属壳110和涂层部242之间的最小间隙H小于等于1.45毫米。因此，即使水滴与被检测气体一起进入内侧保护件161的内部，水滴也几乎不会附着到缩径部247。因此，可以可靠地防止由于水滴附着时的热冲击所引起的检测元件主体201的破裂。

金属壳110的前端侧开口端110s和缩径部247之间的距离I大于金属壳110和涂层部242之间的最小间隙H。因此，即使水滴与被检测气体一起进入内侧保护件161的内部，水滴也几乎不会附着到缩径部247。因此，可以可靠地防止由于水滴附着时的热冲击所引起的检测元件主体201的破裂。此外，即使当金属壳110和涂层部242之间的最小间隙H小于内侧导入孔167的直径时，水滴也几乎不会附着到缩径部247，这可以防止检测元件主体201的破裂。

虽然根据本发明的实施例进行了上述说明，但是，本发明不限于此。理所当然，在不背离所附权利要求书的精神和范围的情况下，可以对这里公开的原理进行各种变型。

例如，上述实施例示例性示出了满量程空燃比传感器作为气体传感器100。然而，本发明可以适用于如氧气传感器、NOx传感器、碳氢化物传感器等其它气体传感器。

虽然该实施例示出的保护件160具有包括内侧保护件161和外侧保护件171的双重壁结构，但是保护件160可以具有一重壁结构。

在上述实施例中，示出了涂层部242作为包括覆盖整个元件突出部202的前端侧涂层部241和覆盖金属壳110内的主干部207的前端侧的一部分的基端侧涂层部243的结构。然而，该结构可以是如下结构：缩径部247从金属壳110的前端侧开口端110s朝向前端侧露出，并且涂层部242仅包括覆盖元件突出部202的一部分的前端侧涂层部241。在该情况下，缩径部247相对于内侧保护件161的内侧导入孔167被布置在基端侧。

相关申请的交叉引用

本申请基于2007年10月17日提交的日本专利申请No.2007-270607和2008年8月19日提交的日本专利申请No.2008-210347，上述日本专利申请的全部内容通过引用包含于此。

Claims (10)

1.一种气体传感器，其包括：

筒状金属壳，其沿着轴向从所述金属壳的前端延伸到所述金属壳的基端；

板状检测元件主体，其沿着轴向从所述检测元件主体的前端延伸到所述检测元件主体的基端并且被保持在所述金属壳的径向内侧，所述检测元件主体包括沿轴向从所述金属壳的前端突出的元件突出部；

多孔质保护层，其涂覆在所述检测元件主体的前端部上；以及

保护件，其被安装到所述金属壳并且包括在垂直于轴向的径向围绕所述元件突出部的侧壁，所述侧壁具有形成在所述侧壁中并且允许气体被导入到由所述侧壁限定的内部空间的导入孔，

其中，所述多孔质保护层包括第一部分以及相对于所述第一部分被设置在基端侧的第二部分，所述第二部分具有沿朝向所述检测元件主体的基端的方向逐渐减小的厚度，并且

所述多孔质保护层的所述第二部分沿轴向被布置成比所述导入孔靠近所述检测元件主体的基端。

2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述多孔质保护层的具有逐渐减小的厚度的所述第二部分的轴向长度不小于所述多孔质保护层的所述第一部分的厚度且不大于3毫米。

3.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，所述第一部分的厚度不小于100微米且不大于600微米。

4.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，所述第一部分的整个外表面被成形为平滑的且没有任何尖角部分。

5.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，所述第一部分和所述保护件之间的最小间隙大于等于0.5毫米。

6.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，所述第二部分被布置在所述金属壳内。

7.根据权利要求6所述的气体传感器，其特征在于，所述金属壳和所述第一部分之间的最小间隙小于等于1.45毫米。

8.根据权利要求6所述的气体传感器，其特征在于，所述第二部分和所述金属壳的前端之间的距离大于所述金属壳和所述第一部分之间的最小间隙。

9.根据权利要求6所述的气体传感器，其特征在于，所述金属壳和所述第一部分之间的最小间隙小于所述导入孔的直径。

10.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述多孔质保护层的所述第二部分为锥状。

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