CN105628867A - 气体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种气体传感器，其包括中空金属外壳、安装在外壳中的传感器设备、和布置在外壳中来在外壳和传感器设备之间气密地绝缘的密封。外壳具有形成在其内周上的内肩。密封保持在内肩上。密封由粉末体和玻璃体组成。粉末体由无机粉末制成并安装在内肩上。玻璃体布置在粉末体上并具有变化的热膨胀系数，其减轻在传感器设备和外壳之间热膨胀的差别，从而确保在高温环境下密封的气密密封能力的稳定性。

Description

气体传感器

技术领域

本公开总体涉及一种气体传感器，其装配有外壳、气体感应设备、以及在外壳和气体感应设备之间气密密封的密封机构。

背景技术

现代自动车辆在测量包括在来自内燃机排放物中的给定气体成分的浓度中使用气体传感器。典型类型的这种气体传感器包括中空金属外壳、安装在外壳中的气体感应设备、以及密封，密封在气体感应设备和外壳之间气密密封来阻挡诸如排放气体的要测量气体的流入，由于气体已经进入气体感应设备的顶端部，故阻挡其流入气体感应设备的后端部中。

日本专利第一公开号2001-208725教导一种气体传感器，其具有布置在气体感应设备的外周表面、形成在气体感应设备的外周表面上的凸缘和外壳的内周表面之间的空间中的绝缘粉末。气体传感器还具有布置在绝缘粉末上的保持器和型锻环。外壳具有压接来通过保持器和型铁环紧密地按压绝缘粉末的后端，以便生成不透气的密封。

但是，以上结构需要大量用于确保不透气密封的部件，因而导致组装这些部件的复杂工艺。这还致使气体传感器的生产成本增加。由于外壳出现蠕变或就滑石粉的工作温度限制而言，存在不透气密封可能在高温环境中劣化的可能性，例如在750℃或更高。

发明内容

因此本公开的一个目的是提供一种气体传感器的改进结构，其允许以降低的成本生产并设计来具有抵抗高温的气密密封。

根据本发明的一个方面，提供一种气体传感器，其包括：(a)带前端和后端具有给定长度的金属外壳，外壳还具有形成于其中的孔；(b)形成在外壳的内周上的内肩，以便限定外壳的所述孔的后孔部分，后孔部分比内肩更靠近外壳的后端；(c)传感器设备，其布置在外壳的孔中，并包括带陶瓷外表面的气体感应设备或由陶瓷体和插入陶瓷体的气体感应设备组成的组件；以及(d)密封，其在传感器设备和外壳之间气密地密封。

密封布置在外壳的后孔部分中，并包括粉末体和玻璃体。粉末体由无机粉末制成并在后孔部分内安装到内肩上。玻璃体布置在粉末体上并具有分级的热膨胀结构，其减轻在传感器设备和外壳之间热膨胀的差别。

气体传感器具有形成在外壳的内周上的内肩，其暴露至孔。密封由粉末体和玻璃体制成。如上所述，粉末体由在后孔部分内放置在内肩上的无机粉末制成。玻璃体用于吸收在传感器设备和外壳之间的热膨胀的差别，因而确保在高温环境下由密封实现的不透气性。例如，如果粉末体在高温环境下碎裂，玻璃体用来保持气密密封适于在传感器设备和外壳之间气密的绝缘。如上所述，玻璃体成形来具有分级的热膨胀结构，其用于减轻在气体感应设备和外壳之间热膨胀的差别。这使玻璃体的破裂可能性最小化，因而提高密封的气密密封能力的可靠性。

粉末体直接布置在外壳的内肩上。如果玻璃体直接放在内肩上，无论是否改变玻璃体的热膨胀系数，都将导致吸收外壳和传感器设备之间热膨胀的差别的局部缺乏。为了避免该缺陷，气体传感器设计为把粉末体放在外壳的内肩上。

如上所述，由玻璃和无机粉末制成密封，换句话说，由减少数量的部件制造。玻璃体用来在本身和外壳之间以及在本身和传感器设备之间产生气密密封。这消除如在本申请的介绍部分中所讨论的传统结构所要求的型锻的需要。这导致简单的生产工艺和传感器生产成本的降低。

附图说明

通过以下给定的详细说明和本发明优选实施例的附图，将更全面地理解本发明，但是其不应该用来将本发明限制到特定实施例，而仅仅用于解释和理解的目的。

在附图中：

图1是示出了根据一实施例的气体传感器的纵向剖视图；

图2是图1的气体传感器的局部纵向剖视图，示出了安装在气体传感器中的密封结构；

图3是沿图2中的线III-III截取的横向剖视图；

图4是示出了装配有根据第二实施例的密封的气体传感器的局部纵向剖视图；

图5是示出了装配有根据第三实施例的密封的气体传感器的局部纵向剖视图；

图6是示出了气体传感器的一对比例的局部纵向剖视图；以及

图7是展示根据第四实施例在玻璃体的长度和在气体传感器中产生的热应力之间关系的图表。

具体实施方式

以下将参照附图说明气体传感器1的实施例。在以下讨论中，气体传感器1的头或前端(即，如图所见，气体传感器1的下部)是气体传感器1暴露到要测量气体(以下也称为目标气体)的部分，而气体传感器1的底端或后端是气体传感器在其纵向方向与前端相反的部分。

气体传感器1装配有传感器设备。传感器设备可以仅仅由气体感应设备制成，也可以由陶瓷体和安装在陶瓷体中的气体感应设备的组件制成。

气体传感器1具有装配有玻璃体的密封机构。玻璃体具有分级的热膨胀结构，其减轻在气体传感器1的传感器设备和外壳之间的热膨胀的差别。分级的热膨胀结构具有变化的热膨胀系数。热膨胀系数的最大值和最小值之间的差值优选地为2×10^-6/℃以下，以便使密封机构的热破裂可能性最小化。

外壳具有孔和形成在孔的内周或壁上的内肩。内肩的内径小于孔的主要部分的内径。密封机构由玻璃体和粉末体组成，并布置在内肩上。内肩成形来在其上保持粉末体。

第一实施例

参照图1到3，包括：金属中空柱形外壳2、传感器设备4、和密封5，传感器设备布置在外壳2的内周柱形孔21内并装配有气体感应设备3，密封在传感器设备4和外壳2之间气密地绝缘。外壳2具有带更靠近气体传感器1的前端的前端和更靠近气体传感器1的后端的后端的给定长度。外壳2的长度与气体传感器1的长度对齐。

外壳2的柱形孔21具有内径小于其剩余部分的至少一部分，以便限定实质上垂直于传感器1的长度延伸的内肩213，换句话说，实质上垂直于外壳2的柱形孔21的内周。具体地，柱形孔21具有给定长度，包括位于其前侧(即，更靠近外壳2的前端)的前孔部分211、位于其后侧(即，更靠近外壳2的后端)的后孔部分212、和位于前孔部分211和后孔部分212之间边界处的内肩213。换句话说，内肩213限定后孔部分212，其比内肩213更靠近外壳2的后端。

后孔部分212的直径大于前孔部分211。换句话说，柱形孔21的前部的内径小于柱形孔21的后部的内径。密封5布置在后孔部分212内。密封5包括粉末体51和玻璃体52。粉末体51由无机粉末制成，其在后孔部分212内布置在内肩213上。玻璃体52在后孔部分212内放在粉末体51上。玻璃体52设计为具有分级的热膨胀结构，其减轻传感器设备4和外壳2之间热膨胀的差别，其以下将详细说明。

如在此所引用，前侧或前端侧是气体传感器1在X方向的长度的一端，如图1和2所示，其暴露到目标气体，而后侧或后端侧是气体传感器1的另一端。在使用中，气体传感器1安装在自动车辆的排气管中，以便测量包含在流过排气管的排放排出物中例如氧气(O₂)的浓度。垂直于X方向的方向将也称为传感器1的径向方向Y。

如图1到3所示，气体感应设备3用来测量气体(即，目标气体)给定成分的浓度。在该实施例中，传感器设备4仅仅由气体感应设备3制成。气体感应设备3是由陶瓷层和电极层(未示出)的层状物制成的平面形状。气体感应设备3具有形成在气体传感器1的轴向方向X(即，外壳2的纵向方向或传感器设备4的纵向方向)一端的外表面上的电极(未示出)，但是气体感应设备3的外表面的大部分由氧化铝(即，陶瓷)制成。具体地，气体感应设备3的外表面的至少一部分是由氧化铝制成，所述至少一部分在后孔部分212内由密封5气密地覆盖。

外壳2是中空柱形并由SUS430制成。外壳2的柱形孔21包括前孔部分211和内径大于前孔部分211的后孔部分212。气体感应设备3布置在彼此对齐并连通的前孔部分211和后孔部分212中。如图1和2中已经讨论的，内肩213形成在后孔部分212和前孔部分211之间的边界处。内肩213水平地延伸，也就是说，垂直于气体传感器1(即，气体感应设备3)的长度。换句话说，内肩213平行于气体传感器1的径向方向Y延伸，但是，可以与气体传感器1的长度(即，外壳2的内周)成给定角度倾斜。

在后孔部分212内在内肩213上方的空间填充无机粉末来形成粉末体51。具体地，由气体感应设备3的外侧表面31(即，传感器设备4的外周表面41)、外壳2的内肩213、外壳2的内周表面217、和玻璃体52围绕的空间由粉末体51占据。玻璃体52不接触内肩213。粉末体51的无机粉末是滑石粉。

玻璃体52依附到气体感应设备3的外侧表面31和后孔部分212的内周表面217。换句话说，气体感应设备3的外侧表面31和外壳2的内周表面217由玻璃体52气密地密封，以便实现密封5的不透气能力。

玻璃体52由多个中空柱形玻璃层521、522、和523组成，其放置来在径向方向Y彼此重叠并且热膨胀系数彼此不同。玻璃层521、522、和523的热膨胀系数在玻璃体52的径向方向Y向外阶梯地变大。换句话说，玻璃体52具有在径向方向Y从其内侧到外侧阶梯地增加的热膨胀系数。具体地，玻璃层521的热膨胀系数是8×10^-6/℃。玻璃层522的热膨胀系数是9×10^-6/℃。玻璃层523的热膨胀系数是10×10^-6/℃。在玻璃层521、522、和523的热膨胀系数之间的最大差值小于或等于2×10^-6/℃。形成气体感应设备3的外表面的氧化铝具有7×10^-6/℃的热膨胀系数。制成外壳2的SUS430具有12×10^-6/℃的热膨胀系数。因此，在气体感应设备3、玻璃体52、和外壳2之中，没有材料的热膨胀系数比气体感应设备3、玻璃体52、和外壳2的热膨胀系数高或低大于2×10^-6/℃。

如图1所示，由内盖121和外盖122组成的双壁前盖组件12紧固到外壳2的前部或头部。内盖121布置在外盖122内侧，以便围绕气体感应设备3的前部30。前盖组件12的内盖121和外盖122具有气体孔123，允许目标气体穿过气体孔123进入或排出前盖组件12。

气体传感器1还包括第一后盖13和第二后盖14。第一后盖13紧固到外壳2的后端，以便覆盖气体感应设备3的后端部39。第二后盖14固定在第一后盖13的后部上。第二后盖14具有形成在其中的空气入口孔141，允许新鲜空气穿过空气入口孔141进入气体传感器1。第二后盖14具有由诸如橡胶衬套的密封元件15封闭的后端开口。密封元件15具有形成在其中的四个孔，四根引线16穿过这四个孔。引线16连接到外部设备。

如图1和2所示，瓷绝缘体6在第一后盖13内安装在密封5的后端上。瓷绝缘体6覆盖气体感应设备3的后端部分39。瓷绝缘体6具有形成在其中的内腔64，气体感应设备3的后端部分39布置在内腔64中。气体传感器1还装配有接触元件7，其由瓷绝缘体6保持来支撑气体感应设备3。放置接触元件7与布置在气体感应设备3上的电极端子(未示出)电接触。如图2所见，瓷绝缘体6具有形成在后端部分69中的四个通孔691，接触元件7的部分穿过通孔。孔691在轴向方向X延伸，并与瓷绝缘体6的内腔64连通。

如图2所清楚示出的，四个接触元件7保持在瓷绝缘体6的内腔64内。每个接触元件7通过弯曲金属板形成的弹簧端子71来实现。每个弹簧端子71电连接到引线16中的一根，并插入瓷绝缘体6的通孔691中的一个。每个弹簧端子71由内腔64的周壁640支撑。每个弹簧端子71向内弯弧或弯曲，并布置在内腔64中。具体地，每个弹簧端子71由U形板制成，U形板由外条板和内条板组成。每个弹簧端子71的内条板具有触点711，其向内隆起，以便与气体感应设备3的电极端子(未示出)中的一个电接触。

如图2所清楚示出的，密封5的后端59和外壳2的后端29放置成与瓷绝缘体6的前端61直接接触。

如图2所示，环形盘簧17布置在瓷绝缘体6的后端69和第一后盖13之间。瓷绝缘体6由盘簧17弹性地推向气体传感器1的前侧，也就是说，推向密封5和外壳2，以便防止它在轴向方向X运动。

以下将说明如何在气体传感器1中形成或制造密封5。

首先，气体感应设备3插入外壳2的柱形孔21。再次，无机粉末(即，滑石粉)在后孔部分212内放在内肩213上。准备三种不同的玻璃柱体(以下也称为玻璃压块)A、B、和C，其热膨胀系数彼此不同。如上所述，玻璃柱体A用来形成玻璃层521，并具有的受控热膨胀系数将是玻璃层521的受控热膨胀系数。玻璃柱体A是带中心孔的中空柱体，气体感应设备3要插入中心孔。玻璃柱体B用来形成玻璃层522，并具有的受控热膨胀系数将是玻璃层522的受控热膨胀系数。玻璃柱体B是带中心孔的中空柱体，玻璃柱体A要布置其中。玻璃柱体C用来形成玻璃层523，并具有的受控热膨胀系数将是玻璃层523的受控热膨胀系数。玻璃柱体C是带中心孔的中空柱体，玻璃柱体B要布置其中。玻璃柱体A首先放在气体感应设备3上。玻璃柱体B和C然后分别在玻璃柱体A上制造。玻璃柱体A、B、和C的组件在后孔部分212内布置在无机粉末上。

随后，玻璃柱体A、B、和C的组件和无机粉末被烧制来完成密封5。具体地，烧制通过以10℃/分钟的速率增加玻璃柱体A、B、和C以及无机粉末到850℃、保持60分钟、然后以-5℃/分钟的速率冷却170分钟来执行。类似该实施例，在密封5由多个玻璃层制成的情况下，无机粉末优选地混合进介于相邻两个玻璃层之间的玻璃层中的至少一个(即，该实施例中的玻璃层522)，以便避免玻璃层彼此混合来阻碍上述分级的热膨胀结构的形成。

该实施例的气体传感器1提供以下有益优点。

气体传感器1具有形成在外壳2的内表面上的内肩，其暴露到柱形孔21。密封5由粉末体51和玻璃体52组成。粉末体51由在后孔部分212内放在内肩213上的无机粉末制成。玻璃体52由一叠玻璃层521、522、和523制成，以便确保在高温环境下由密封5实现的不透气性。例如，如果粉末体51在高温环境下碎裂，玻璃体52用来保持该气密密封适于在气体感应设备3的后部和前部之间气密地绝缘。玻璃体52如上所述成形来具有分级的热膨胀结构，其用于吸收在气体感应设备3和外壳2之间热膨胀的差别。这使玻璃体52的破裂可能性最小化，因而提高了密封5的气密密封能力的可靠性。

粉末体51直接布置在外壳2的内肩213上。如果玻璃体52直接放在内肩213上，如下面在对比例1中所述，无论在外壳2和气体感应设备3之间在径向方向玻璃体52的热膨胀系数的变化如何，都将导致吸收外壳2和气体感应设备3之间热膨胀差别的局部缺乏。为了避免该缺陷，气体传感器1设计为把粉末体51直接放在外壳2的内肩213上。

如上所述，密封5由玻璃和无机粉末制成，换句话说，由减少数量的部件制造，无需如在本申请的介绍部分中所讨论的传统结构所要求的型锻。这导致简单的生产工艺和气体传感器1生产成本的降低。

外壳2的柱形孔21包括：前孔部分211、直径大于前孔部分211的后孔部分212、和形成在前孔部分211和后孔部分212之间边界处的内肩213。这避免了玻璃柱体A、B、和C在烧制时的软化，以致它们在气体传感器1的轴向方向变形(见图1和2)，因而确保将密封5合适地定位在外壳2内的稳定性。

玻璃体52由多个玻璃层组成：玻璃层521、522、和523，以具有在径向方向Y向外阶梯地增加的热膨胀系数，从而方便形成密封5的分级的热膨胀结构。玻璃体52替换地可以由两个或多于三个玻璃层形成，只要它们用来吸收玻璃体52和气体感应设备3(即，传感器设备4)之间热膨胀的差别。

粉末体51优选地由滑石粉作为无机粉末制成。这是因为由在玻璃体52和粉末体51之间热膨胀的差别引起的热应力将造成硬度低于玻璃体52的粉末体51早于玻璃体52破裂，从而使玻璃体52的损坏最小化。

该实施例的传感器设备4仅仅通过气体感应设备3实现。气体感应设备3在外壳2内直接暴露而不覆盖有例如陶瓷体。这允许气体传感器1在径向方向减少尺寸，其将致使气体传感器1的整体尺寸减少，并还致使组成气体传感器1的部件数量减少，因而允许气体传感器1以降低成本制造。

气体感应设备3由陶瓷板的层压体制成，但是，可以替换地由带底部的杯形或中空柱形感应设备实现。这种结构还能够按照如上所述的方式产生密封5。气体传感器1可以用作A/F传感器或氧气(O₂)传感器。

第二实施例

如图4所示，该实施例的气体传感器1装配有传感器设备4，其由氧化铝制成的中空柱形陶瓷体35(以下也称为陶瓷柱体)和插入陶瓷柱体35的气体感应设备3组成。类似第一实施例，气体感应设备3制造为平面的并一体地布置在气体感应设备3中作为单个组件。

平面的气体感应设备3安装在陶瓷柱体35中。陶瓷柱体35用作电绝缘体，以便吸收在气体感应设备3的拐角处发展的热应力。气体传感器1的其它布置与第一实施例中的那些相同，此处将省略其详细解释。如在第一实施例中采用的相同标号表示相同部件，除非另外指定。

第三实施例

该实施例的气体传感器1在外壳2的构造上与第一实施例中的那个不同。气体传感器1装配有图5所示的外壳2。外壳2具有形成在其内周上的内肩213，其暴露到柱形孔21。具体地，内肩213的直径小于柱形孔21的主要部分，并由限定柱形孔21的外壳2内周表面217上形成的面向内突起来限定。柱形孔21除了内肩213之外具有实质上恒定的内径。柱形孔21由位于内肩213前侧的前孔部分211和位于内肩213后侧的后孔部分212组成。前孔部分211的内径等于后孔部分212的内径。其它布置与第一实施例中的那些相同。

类似以上实施例，该实施例的气体传感器1具有布置在内肩213上方的玻璃体52，因而提供与第一实施例相同的有益优点。内肩213由环形突起限定，环形突起形成在外壳2的内壁上并在横截面上是实质上U形。这导致外壳2的简单结构，并还导致组成气体传感器1的部件数量的减少，因而允许气体传感器1以降低成本制造。如在第一实施例中采用的相同标号表示相同部件，除非另外指定。

对比例1

图6示出作为与以上实施例中的气体传感器1对比例的气体传感器9。气体传感器9设计为不具有安装在第一和第二实施例的气体传感器1中的粉末体51。具体地，气体传感器9具有玻璃制成的密封92。密封92包括多个中空柱形玻璃层921、922、和923，其在径向方向Y彼此重叠放置。密封92具有在径向方向Y向外阶梯地增加的热膨胀系数。密封92还包括多个玻璃层924和925，其在轴向方向X彼此重叠放置。玻璃层924和925的下面一个，即玻璃层925，具有大于玻璃层924的热膨胀系数。在玻璃层921、922、923、924、和925之间热膨胀系数的差别小于或等于2×10^-6/℃。气体传感器9的其它布置与第一实施例中的那些相同。如在第一实施例中采用的相同标号表示相同部件，除非另外指定。

该例子的密封92由玻璃层921、922、923、924、和925组成，并不具有诸如第一和第二实施例中的粉末体51的粉末块。如上所述，密封92具有热膨胀系数彼此不同的部分，但是将具有一部分不吸收外壳2和气体感应设备3之间的热膨胀的差别。在图6的气体传感器9的结构中，气体感应设备3和玻璃层924或925之间的热膨胀系数将很大。这可能导致碎裂，其致使密封92的气密密封能力的劣化。

第四实施例

该实施例是阐明玻璃体52的高度和气体传感器1中热应力之间关系的例子，其在结构上与第一实施例相同。我们检索对于图2所示的不同高度H(换句话说，玻璃体52在轴向方向X的长度)值作用在玻璃体52上的热应力度。如在此所述，热应力度是当玻璃体52的温度从850℃变化到25℃时的最大应力。检索结果展示在图7的图表中。

图7的图表显示玻璃体52的高度H减少将导致施加在玻璃体52上的应力度减少。建议的是，玻璃体52的高度H是8mm或更小，优选地6mm或更小，更优选地5mm或更小，用于使玻璃体52的破裂可能性最小化。为了增强玻璃体52的气密密封能力或确保玻璃体52以及粉末体51对机械振动的抵抗，建议的是，玻璃体52的高度H是1mm或更大，优选地1.5mm或更大，更优选地2.0mm或更大。

Claims (7)

1.一种气体传感器，包括：

带前端和后端具有给定长度的金属外壳，所述外壳还具有形成在其中的孔；

形成在所述外壳的内周上的内肩，以限定所述外壳的所述孔的后孔部分，所述后孔部分比所述内肩更靠近所述外壳的所述后端；

传感器设备，其布置在所述外壳的所述孔中，并包括带陶瓷外表面的气体感应设备或由陶瓷体和插入所述陶瓷体的所述气体感应设备组成的组件；以及

密封，其在所述传感器设备和所述外壳之间气密地密封，所述密封布置在所述外壳的所述后孔部分中并包括粉末体和玻璃体，所述粉末体由无机粉末制成并在所述后孔部分内安装到所述内肩上，所述玻璃体布置在所述粉末体上并具有分级的热膨胀结构，所述分级的热膨胀结构减轻在所述传感器设备和所述外壳之间热膨胀的差别。

2.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述外壳的所述孔还具有前孔部分，所述前孔部分比所述后孔部分更靠近所述外壳的所述前端，所述后孔部分的内径大于所述前孔部分的内径，其中所述内肩位于所述前孔部分和所述后孔部分之间的边界处，所述内肩实质上垂直于或倾斜于所述外壳的所述内周延伸。

3.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述内肩由突起限定，所述突起形成在所述外壳的所述内周上并在所述外壳的所述孔内面向内。

4.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述玻璃体包括多个玻璃层，所述多个玻璃层的热膨胀系数在所述玻璃体的径向方向上向外阶梯地变大。

5.根据权利要求1所述的气体传感器，其中制成所述粉末体的所述无机粉末是滑石粉。

6.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述传感器设备仅仅由所述气体感应设备构成。

7.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述玻璃体具有在所述气体传感器的轴向方向上的长度，所述长度是1-8mmm。