CN1683928A - 气体传感器 - Google Patents

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Abstract

一种气体传感器，它具有插入到一圆筒形壳体(10)内的传感元件(2)。位于壳体(10)的远端侧的被测气体罩(11)形成位于传感元件(2)的远端侧的被测气体环境(110)。位于壳体(10)的近端侧的大气罩(12)形成位于传感元件(2)的近端侧的大气环境(120)。采用包括多个粉末填料层(31，32)的密封件(3)对壳体(10)的内表面和传感元件(2)的外表面之间的间隙进行气密密封，以使得被测气体环境(110)与大气环境(120)分离或隔绝。

Description

气体传感器
相关申请的交叉引用
本申请建立在2004年4月13日递交的申请号为2004-118160以及2005年2月3日递交的申请号为2005-27438的在先日本专利申请的基础上并且要求它们二者的优先权，因此这里将它们引入以供参考。
技术领域
本发明涉及一种安装在机动车辆的内燃机的排气系统内的气体传感器，用于控制输送到发动机的燃烧室内的燃料混合物的空燃比。
背景技术
图12示出了安装在汽车发动机的排气系统内以控制燃料混合物的空燃比的传统气体传感器9。气体传感器9包括插入在圆筒形壳体1010内的传感元件1002、位于壳体1010的远端侧处以将传感元件1002的远端侧覆盖的被测气体罩1011以及位于壳体1010的近端侧处以将传感元件1002的近端侧覆盖的大气罩1012。
根据该现有技术中的气体传感器9，被测气体罩1011的内部空间为被测气体环境1110，同时大气罩1012的内部空间为大气环境1120。应当在传感元件1002和壳体1010之间的间隙处建立气密密封，以将这两个环境1110和1120彼此分离或隔绝。此外，还应当在传感元件1002和壳体1010之间的间隙处建立水密(液密)密封。传感元件1002和壳体1010之间的间隙处建立防水性密封所带来的效果是防止了在发动机起动操作中液态燃料从被测气体环境1110进入，还防止了在发动机停止状态下冷凝物从被测气体环境1110进入。
就传感元件1002和壳体1010之间的密封装置而言，专利号为6,510,728的美国专利披露了一种使用无机粉末或者无机粉末的模制品的方法。特别是，如图12所示，将无机粉末填充到传感元件1002和壳体1010之间的间隙内。然后，挤压/压实无机粉末，以形成粉末填料1091。随后，再将绝缘体1192和金属环1193布置于粉末填料1091上。可替换的是，可以预先通过临时将无机粉末模制成与形成于传感元件1002和壳体1010之间的空间相同的形状，以制造临时模制工件。将该临时模制工件放置到此空间内，然后将其挤压，以在传感元件1002和壳体1010之间进行充填并形成气密和水密密封。
被测气体罩1011由外罩1111和内罩1112组成。大气罩1012由主罩部件1121和外罩部件1122组成。此外，大气侧绝缘体1013支承传感元件1002的引线1015。导线1015被插入到位于大气侧部绝缘体1013的近端侧的弹性绝缘件1016内。
总的来说，具有这样的一种趋势，即近来先进的发动机排放高温废气。因此，需要传感元件和壳体之间的密封装置具有优异的耐高温性能。根据现有技术中的密封方法，采用适量的添加剂与无机粉末进行混合，以提高被挤压的无机粉末的密封并增强密封性能。然而，现有已知的添加剂趋于在高温下分解。因此，现有已知的添加剂不能用于处于高温环境下的气体传感器中。
如果气体传感器使用不含添加剂的无机粉末，则即使在传感器为崭新的条件下能够确保密封性能良好，但是该传感器的密封性能(例如气密性和水密性)很快就会随着发动机操作的累计时间而发生恶化。为了增强密封性能，可以在挤压无机粉末的过程中采用较高的压力，以提高无机粉末填料的密度。然而，由于传感元件是抵抗冲击能力较弱的易碎陶瓷制品，因此对无机粉末施以高压可能会导致传感元件内产生裂纹。
此外，正如专利号为5,846,391的美国专利中所披露，在现有技术中建议采用一种粉末填料装置，该装置由滑石(steatite)、氮化硼以及增强密封性能的滑石(steatite)三层组成。然而，虽然在大约500℃的低温下通过烧结操作便可形成滑石层，但是氮化硼层的形成则需要进行在大约2000℃的高温下进行热压成型的操作。换句话说，为了实现热压成型操作，该现有技术需要具有足够耐高温的特殊熔炉。这就会增加热能成本。
基于上述内容，需要在气体传感器的传感元件和壳体之间提供优良的密封装置，这种装置能够确保优异的密封性能，并且因此能够维持长时间的水密性和气密性，同时在制造过程中还不需要特殊的设备，因此可实现容易的制造方法。
同时，还有一种传统气体传感器，它包括插入到圆筒形壳体内的元件组件，该元件组件由传感元件和周围圆筒形绝缘管组成。被测气体罩位于壳体的远端侧，以将传感元件的远端覆盖。并且，大气罩位于壳体的近端侧，以将传感元件的近端侧覆盖。具有这种布置的气体传感器也存在上述问题。因此，需要提供一种优异的密封装置，它能够长期地在气体传感器的元件组件与壳体之间确保密封性能(即水密性和气密性)，它在制造过程中不需要特殊的装置，并且因此可实现容易的制造方法。
发明内容
考虑到上述问题，本发明的一个目的是提供一种气体传感器，它具有能够确保优异的密封性能的密封装置。并且，本发明另一个目的是提供一种相关的制造方法。
为了实现上述以及其它相关目的，本发明提供了一种气体传感器，它包括插入到一圆筒形壳体内的传感元件(或者传感元件和周围圆筒形绝缘管的元件组件)、位于该壳体的远端侧以将该传感元件的远端侧覆盖的被测气体罩以及位于该壳体的近端侧以将该传感器的近端侧覆盖的大气罩。根据本发明的气体传感器，该壳体的内表面和该传感元件的外表面之间的间隙通过包括多个粉末填料层的密封件进行气密密封。
此外，本发明还提供了一种用于制造上述气体传感器的方法，它包括以下步骤：将该传感元件(或元件组件)插入到该壳体中，将一临时模制工件布置于该壳体和该传感元件(或元件组件)之间，从上方挤压并填充该临时模制工件，以形成单个粉末填料层，然后重复上面的布置和挤压/填充过程，以形成密封件的多个粉末填料层。
另外，本发明还提供了另一种制造上述气体传感器的方法，它包括以下步骤：将该传感元件(或元件组件)插入到该壳体内，将多个临时模制工件布置于该壳体和该传感元件(或元件组件)之间，并且从上方同时挤压和填充所有这些多个临时工件，以形成密封件的多个粉末填料层。
另外，本发明还提供了另一种制造上述气体传感器的方法，它包括以下步骤：将该传感元件(或元件组件)插入到该壳体内，在该壳体和该传感元件(或元件组件)之间填充预定的粉末材料，从上方挤压这些预定的粉末材料，以形成单个粉末填料层，然后重复上面的填充和挤压过程，以形成密封件的多个粉末填料层。
附图说明
从下面结合附图的详细说明中，本发明的上述和其它目的、特征以及优点将变得更为明显，其中：
图1为示出了本发明第一实施例的气体传感器的整体结构的竖直剖面图；
图2为示出了本发明第一实施例的气体传感器的主要部件的竖直剖面图；
图3为示出了本发明第一实施例的第一和第二粉末填料层的放大剖面图；
图4A和4B为解释根据本发明的第一实施例放置和挤压第一临时模制工件的顺序过程的剖面图；
图5为解释根据本发明的第一实施例挤压第二临时模制工件以及衬垫部件和绝缘体的过程的剖视图；
图6为示出了根据本发明的第一实施例置于绝缘体上的金属环的剖视图；
图7A和7B为解释根据本发明的第一实施例填塞金属环以及绝缘体的顺序过程的剖面图；
图8为示出了本发明第一实施例的临时模制工件的透视图；
图9为解释根据本发明的第一实施例限定内侧倾斜表面和外侧倾斜表面的不同角度的放大剖面图；
图10为示出了本发明第二实施例的气体传感器的整体结构的竖直剖面图；
图11为示出了本发明第三实施例的临时模制工件的透视图；以及
图12为示出了现有技术中的气体传感器的竖直剖面图。
具体实施方式
作为实施本发明的优选模式，本申请披露了两种气体传感器以及相关的制造方法。
特别是，本发明提供了第一气体传感器，它包括插入到一圆筒形壳体内的传感元件、位于该壳体的远端侧以将传感元件的远端侧覆盖的被测气体罩以及位于该壳体的近端侧以将传感元件的近端侧覆盖的大气罩。根据该第一气体传感器，壳体的内表面和传感元件的外表面之间的间隙通过包括多个粉末填料层的密封件进行气密密封。
此外，本发明提供了第二气体传感器，它包括插入到一圆筒形壳体内的元件组件。该元件组件包括传感元件和组装在传感元件周围的圆筒形绝缘管。本发明的第二气体传感器还包括位于壳体的远端侧以将传感元件的远端侧覆盖的被测气体罩以及位于壳体近端侧以将传感元件的近端侧覆盖的大气罩。根据第二气体传感器，壳体的内表面和元件组件的外表面之间的间隙通过包括多个粉末填料层的密封件进行气密密封。
本发明的第一气体传感器具有密封件，它包括多个用于密封位于传感元件和壳体之间的间隙的粉末填料层。本发明的第二气体传感器具有密封件，它包括多个用于密封位于元件组件和壳体之间的间隙的粉末填料层。提供多个层粉末填充层增强了密封性能，并相应地带来如下效果，即确保了形成于被测气体罩内的被测气体环境与形成于大气罩内的大气环境之间相互分离或隔绝。可以增强水密性，从而可靠地排除了液体从被测气体环境中进入的危险。此外，密封件的密度变得统一并且密度也变高。密度不容易发生变化，由此它保持了长久并优异的密封性能。
本发明提供了用于制造气体传感器的第一种方法，其中该气体传感器包括插入到一圆筒形壳体内的传感元件，位于该壳体的远端侧以将传感元件的远端侧覆盖的被测气体罩以及位于该壳体的近端侧以将传感元件的近端侧覆盖的大气罩。本发明的第一种制造方法包括第一到第三步。在第一步中，将传感元件插入到壳体内。在第二步中，将一临时模制工件放置于壳体和传感元件之间。通过临时地模制预定的粉末材料来制得该临时模制工件。在完成了第二步后进行第三步，从上方挤压并填充临时模制工件，以形成单层粉末填料层。此外，根据本发明的第一种制造方法，上面的第二和第三步均可以被重复执行，以形成密封件的多个粉末填料层，由此采用包括该多个粉末填料层的密封件来对壳体的内表面和传感元件的外表面之间的间隙进行气密密封。
本发明提供了用于制造气体传感器的第二种方法，其中该气体传感器包括插入到一圆筒形壳体内的传感元件，位于该壳体的远端侧以将传感元件的远端侧覆盖的被测气体罩以及位于该壳体的近端侧以将传感元件的近端侧覆盖的大气罩。本发明的第二种制造方法包括第一到第三步。在第一步中，将传感元件插入到壳体内。在第二步中，将多个临时模制工件放置于壳体和传感元件之间。通过临时地模制预定粉末材料来制得每一临时模制元件。在第三步中，从上方同时挤压并填充所有的临时模制工件，以形成密封件的多个粉末填料层，由此采用包括该多个粉末填料层的密封件来对壳体的内表面和传感元件的外表面之间的间隙进行气密密封。
本发明提供了用于制造气体传感器的第三种方法，其中该气体传感器包括一体地插入到一圆筒形壳体内的传感元件和周围圆筒形绝缘管的元件组件、位于壳体的远端侧以将传感元件的远端侧覆盖的被测气体罩以及位于壳体的近端侧以将传感元件的近端侧覆盖的大气罩。本发明的第三种制造方法包括第一到第三步。在第一步中，将元件组件插入到壳体内。在第二步中，将一临时模制上件放置于壳体和元件组件之间。通过临时地模制预定粉末材料来制得该临时模制元件。在完成了第二步后进行第三步，从上方挤压并填充临时模制工件，以形成单个粉末填料层。此外，根据本发明的第三种制造方法，上面的第二和第三步均可以被重复执行，以形成密封件的多个粉末填料层，由此采用包括该多个粉末填料层的密封件来对壳体的内表面和元件组件的外表面之间的间隙进行气密密封。
本发明提供了用于制造气体传感器的第四种方法，其中该气体传感器包括一体地插入到一圆筒形壳体内的传感元件和周围圆筒形绝缘管的元件组件、位于壳体的远端侧以将传感元件的远端侧覆盖的被测气体罩以及位于壳体的近端侧以将传感元件的近端侧覆盖的大气罩。本发明的第四种制造方法包括第一到第三步。在第一步中，将元件组件插入到壳体内。在第二步中，将多个临时模制工件放置于壳体和元件组件之间。通过临时地模制预定粉末材料来制得每一临时模制元件。在完成了第二步后进行第三步，从上方同时挤压并填充所有的临时模制工件，以形成密封件的多个粉末填料层，由此采用包括该多个粉末填料层的密封件来对壳体的内表面和组件元件的外表面之间的间隙进行气密密封。
根据本发明上述的制造方法，预先准备好用于各粉末填料层的粉末材料的临时模制工件，然后将其置入并挤压，以在传感元件和壳体(第一和第二种制造方法)或者在元件组件和壳体(第三和第四种制造方法)之间提供气密密封装置。根据本发明的第一和第三种制造方法，将每一临时模制的粉末材料工件置入然后对其挤压，以获得单个粉末填料层，并且连续地反复执行这些步骤，以获得多个粉末填料层。根据发明的第二和第四种制造方法，将多个临时模制的粉末材料工件置入然后对其挤压，以同时获得多个粉末填料层。
根据本发明的第一到第四种制造方法中的任一种制得的气体传感器具有包括多个粉末填料层的密封件。因此，气体传感器的密封性能得到提高。这样，就确保了形成于被测气体罩内的被测气体环境与形成于大气罩内的大气环境之间相互分离或隔绝。可以增强水密性，从而可靠地排除了液体从被测气体环境中进入的危险。此外，密封件的密度变得统一并且密度也变高。密度不容易发生变化，由此它保持了长久并优异的密封性能。此外，本发明的第一到第四种制造方法不需要特殊的粉末材料。并且，可以通过采用简单的制造方法来制造密封件，该方法包括临时地模制粉末材料的步骤和挤压临时模制工件的步骤。因此，不需要采用特殊的设备来制造该密封件，因此该密封件很容易制造。
同时，本发明提供了用于制造气体传感器的第五种方法，其中该气体传感器包括插入到一圆筒形壳体内的传感元件、位于壳体的远端侧以将传感元件的远端侧覆盖的被测气体罩以及位于壳体近端侧以将传感元件的近端侧覆盖的大气罩。本发明的第五种制造方法包括第一到第三步。在第一步中，将传感元件插入到壳体内。在第二步中，将预定的粉末材料填充到壳体和传感元件之间。在完成了第二步后进行第三步，从上方挤压预定的粉末材料，以形成单个粉末填料层。此外，根据本发明的第五种制造方法，上面的第二和第三步均可以被重复执行，以形成密封件的多个粉末填料层，由此采用包括该多个粉末填料层的密封件来对壳体的内表面和传感元件的外表面之间的间隙进行气密密封。
此外，本发明提供了用于制造气体传感器的第六种方法，其中该气体传感器包括一体地插入到一圆筒形壳体内的传感元件和周围圆筒形绝缘管的元件组件、位于壳体的远端侧以将传感元件的远端侧覆盖的被测气体罩以及位于壳体的近端侧以将传感元件的近端侧覆盖的大气罩。本发明的第六种制造方法包括第一到第三步。在第一步中，将元件组件插入到壳体内。在第二步中，将预定的粉末材料填充到壳体和元件组件之间。在完成了第二步后进行第三步，从上方挤压预定的粉末材料，以形成单个粉末填料层。此外，根据本发明的第六种制造方法，上面的第二和第三步均可以被重复执行，以形成密封件的多个粉末填料层，由此采用包括该多个粉末填料层的密封件来对壳体的内表面和元件组件的外表面之间的间隙进行气密密封。
根据本发明的第五和第六种制造方法，将粉末材料直接填充并挤压/压实，以在传感元件和壳体(第五种制造方法)或者在元件组件和壳体(第六种制造方法)之间获得粉末填料层。根据本发明的第五和第六种制造方法制得的气体传感器具有包括多个粉末填料层的密封件。因此，气体传感器的密封性能得到提高。这样，就确保了形成于被测气体罩内的被测气体环境与形成于大气罩内的大气环境之间相互分离或隔绝。可以增强水密性，从而可靠地排除了液体从被测气体环境中进入的危险。此外，密封件的密度变得统一并且密度也变高。密度不容易发生变化，由此它保持了长久并优异的密封性能。此外，本发明的第五和第六种制造方法不需要特殊的粉末材料。并且，可以通过采用简单的制造方法来制造密封件，该方法包括临时地模制粉末材料的步骤和挤压临时模制工件的步骤。因此，不需要采用特殊的设备来制造此密封件，因此密封件很容易制造。
如上所述，本发明提供了一种性能优异的密封装置，它确保了在传感器的元件组件和壳体之间的长期持续的密封性能(即水密性和气密性)，该密封件不需要采用特殊的设备来制造，因此也实现了容易制造的方法。
本发明的气体传感器具有杯形的传感元件或者多层传感元件。此外，本发明适用于一种气体传感器，它包括组装在壳体内的传感元件(参照下述第一实施例和图1)，或者这样一种传感器，它包括与周围绝缘管组装在一起以形成设置在壳体内的元件组件的传感元件(参照下述第四实施例和图10)。此外，本发明还适用于一种气体传感器，它用于检测被测气体内的氧气浓度，或者这样一种传感器，它用于检测除氧气之外的其它气体浓度，例如NOx浓度、HC浓度、CO浓度。另外，本发明还适用于一种气体传感器，它安装在机动车辆的内燃机的排气系统内，以检测导入到发动机的燃烧室内的燃料混合物的空燃比，并且根据检测到的空燃比对燃料混合物的燃烧进行控制。
根据本发明，可以通过采用粒径和/或成分互不相同的粉末材料来形成多个粉末填料层。或者，也可通过采用具有相同粒径和/或成分的粉末材料来形成多个粉末填料层。另外，还可以通过采用具有相同或基本相同粒径的粉末或者通过采用粒径稍微不同的粉末来形成多个粉末填料层的每一层。在使用相同的粉末材料来形成多个粉末填料层的情况下，虽然也会获得本发明的效果，但是可能难于区分各层之间的边界。
根据本发明的第一或第二气体传感器，优选的是，该多个粉末填料层包括预定的粉末材料，该粉末材料含有重量百分比等于或大于总重量的80％的粒径在80-1000μm的范围内的颗粒。这种设置增加了每一粉末填料层的密度，因此实现了高度致密化的密封件。如果粒径小于80μm的颗粒超过总重量的80％，则有可能在形成粉末材料的颗粒接触表面之间存在着许多微小的颗粒。因此，密度(即颗粒间的附着性)就会降低，并且水密性也随之下降。如果粒径超过1000μm的颗粒超过总重量的80％，则当在制造粉末填料层的过程中施加压力时，各颗粒不会发生足够的变形。这样，填充性能就会恶化，并且因此难于获得优良的气密性。
根据本发明的第一或第二气体传感器，优选的是，多个粉末填料层包括最接近气体传感器的远端侧的第一粉末填料层。该第一粉末填料层与位于传感元件或元件组件的外表面上的内侧倾斜表面接触并从传感元件向着壳体倾斜。第一粉末填料层与位于壳体的内表面上的外侧倾斜表面接触并从壳体向着传感元件倾斜。此外，还满足条件0°≤C≤50°，0°≤D≤ 50°，和120°≤E≤180°。其中，‘C’代表形成在内侧倾斜表面和与气体传感器的轴向方向垂直的直线之间的夹角，‘D’代表形成于外侧倾斜表面和与气体传感器的轴向方向垂直的直线之间的夹角，‘E’代表形成于内侧倾斜表面和外侧倾斜表面之间的夹角。
根据此结构，确保了优良的气密性和水密性。如果夹角C大于50°和/或夹角D大于50°，则第一粉末填料层下部的密度(即气体传感器的远端侧)的密封便不会充分地提高，并且因此气密性和水密性也会恶化。另外，还存在着这样的可能性，即当使用了很长时间时，会出现大量永久性疲劳。另外，如果夹角E小于120°或大于180°，则第一粉末填料层下部(即气体传感器的远端侧)的密度不会充分地提高，并且因此气密性和水密性也会恶化。另外，还存在着这样的可能性，即当使用了很长时间时，会出现大量永久性疲劳。
根据本发明的第一和第二实施例，优选的是，气体传感器还包括衬垫部件，它与多个粉末填料层中的至少一层的端面接触。根据此结构，该衬垫部件可以防止粉末填料不希望地泄漏到周围间隙中。在制造粉末填料层的过程中，此衬垫部件防止了粉末填料粘接到压模上，从而保持优良的密封性能。
根据本发明下述的第一实施例的气体传感器，上述周围间隙例如为壳体和传感元件之间的间隙、这些部件和压模(即图4中示出的部件41)之间的间隙、粉末填料层和壳体或传感元件之间的间隙、或者位于粉末填料层上方的绝缘体(即图1示出的部件192)和壳体或传感元件之间的间隙。
另外，如图1所示的下述第一实施例，关于采用衬垫的例子，可以将第二粉末填料层层压在第一粉末填料层上，并且将衬垫部件置于第二粉末填料层上。此外，虽然在附图中未示出，在传感元件和壳体之间的间隙内，也可在位于远端侧处的粉末填料层的下方提供衬垫部件。另外，也可将多个衬垫部件设置在各粉末填料层的上表面上。实践中，也可以采用蛭石(vermiculite)模制成的产品或者陶瓷纤维模制的产品作为本发明的衬垫部件。
根据本发明的第一或者第二气体传感器，优选的是，多个粉末填料层中的至少一层含有辅助填料。该辅助填料具有能够填充位于形成粉末填料层的粉末材料的相邻颗粒的接触表面之间的间隙的功能。这样，辅助填料就可以提高颗粒之间的粘着性并由此提高粉末填充层的密度。因此，就可以获得优良的密封性能。此外，在粉末填料层内的相邻颗粒的间隙被填充以辅助填料的情况下，液体便不会由于毛细作用进入到间隙中。
关于本发明的辅助填料，优选的是，该辅助填料从由原铝磷酸水溶液(aqueous solution of primary aluminum phosphate)、硅酸钠水溶液(aqueous solution of sodium silicate)和硅酸钾水溶液(aqueous solution ofpotassium silicate)组成的组中选择。这些水溶液能够有效地进入到形成粉末填料层的粉末材料内的相邻颗粒之间的狭小间隙中。因此，这些水溶液可以提高粉末填料层的密度，并由此确保优异的密封性能。
此外，当辅助填料从由原铝磷酸水溶液、硅酸钠水溶液和硅酸钾水溶液组成的组中选择时，优选的是，辅助填料相对于多个粉末填料层中的至少一个的总重量的重量百分比含量在0.1-10％的范围内。根据该配置，可获得高度致密化的粉末填料层。如果辅助填料的重量百分比含量小于0.1％，则形成粉末填料层的粉末材料内的相邻颗粒之间的间隙将不会充分地填充有辅助填料，从而就难于获得高度致密化的粉末填料。另一方面，如果辅助填料的重量百分比含量大于10％，则辅助填料将会过量，以至于颗粒的填充性能将会遭到相当的恶化，并且粉末填料层也不可能具有足够的比重。这样，粉末填料层的密封性能也将恶化。
此外，优选的是，辅助填料含有至少一种成分，该成分可从由氢氧化钡(barium hydroxide)、硼钛酸盐玻璃(borosilicate glass)、硅酸铝玻璃(alumino-silicate glass)、碱石灰硅酸盐玻璃(soda-lime silicate glass)、硅酸铅玻璃(lead silicate glass、低熔点硼酸盐玻璃(low-melting borate glass)、石灰铝基玻璃(lime alumino-based glass)以及铝酸盐玻璃(aluminate glass)组成的组中选择。这些材料在相对较低的温度下就可液化。因此，即使热处理施加于辅助填料，以获得液化填料，并通过被液化的填料来消除粉末填料层内的颗粒间隙，这种热处理也可以在相对较低的温度下进行而不会对壳体、气体传感元件和其它形成气体传感器的部件带来负面的热影响。另外，这些材料在液化状态下平稳地进入到形成粉末填料层的颗粒之间的狭小间隙中，也因此封闭了形成于粉末填料层中的渗入通道。这样就可以消除汽油或者其它包含于废气中的液体成分的入侵，其中上述液体可能会通过形成于粉末填料层中的渗入通道不希望地进入。因此，获得了优良的密封性能。
另外，当辅助填料含有从由氢氧化钡、硼钛酸盐玻璃、硅酸铝玻璃、碱石灰硅酸盐玻璃、硅酸铅玻璃、低熔点硼酸盐玻璃、石灰铝基玻璃以及铝酸盐玻璃组成的组中选出的至少一种成分时，优选的是，辅助填料相对于多个粉末填料层中的至少一个的总重量的重量百分比含量在0.5-30％的范围内。根据此配置，可获得高度致密化的粉末填料层。如果辅助填料的重量百分比含量小于0.5％，则形成粉末填料层的粉末材料内的相邻颗粒之间的间隙将不会充分地填充有辅助填料，从而就难于获得高度致密化的粉末填料。另一方面，如果辅助填料的重量百分比含量大于30％，则辅助填料将会过量，以至于颗粒的填充性能将会遭到相当的恶化，并且粉末填料层也不可能具有足够的比重。这样，粉末填料层的密封性能也将恶化。
根据本发明的第一或第二气体传感器，优选的是，粉末填料层含有滑石或氮化硼，其重量百分比含量为等于或大于粉末填料层的总重量的50％。当在室温下进行滑石的模制时，可以节省热能。此外，滑石颗粒为具有层状结构的鳞状颗粒。当挤压这些滑石颗粒时，在层与层的方向上会导致分裂，同时维持鳞状颗粒的层状结构。另外，由于鳞状颗粒足够软(莫氏硬度＝1)，鳞状颗粒会发生变形，从而在获得粉末填料层之前消除存在于鳞状颗粒之间的间隙。因此，比重增大，由此很容易地获得了优异的密封性能。正如所熟知的，滑石是粘土矿物中的一种，并且为一种含有以MgO和SiO2为主要成分的天然材料。
另外，由于氮化硼颗粒非常软，因此这些颗粒会发生变形，从而在获得粉末填料层之前消除存在于鳞状颗粒之间的间隙。因此，比重增大，由此很容易地获得了优异的密封性能。
此外，如果滑石或氮化硼的重量百分比含量小于50％，则它们的颗粒就不能够发生足以消除微小间隙的变形。如果滑石和/或氮化硼的重量百分比含量为100％，则可以获得理想的粉末填料层。换句话说，粉末填料层仅由氮化硼或者仅由滑石和氮化硼的组合物组成的话，则将是理想的。
根据本发明的气体传感器的第一到第六种制造方法，提供了一种包括多个粉末填料层的密封件，它可以采用预先临时模制的临时模制工件或者直接采用粉末材料。当多个粉末填料层形成在单个气体传感器内时，可以通过采用粉末材料或者采用预先临时模制的临时模制工件来形成各层。如本发明的第一实施例所示，优选的是，临时模制的工件具有简单的圆柱形形状，并且之后被挤压并变形成与形成于传感元件(或者元件组件)和壳体之间的空间对应的形状。可替换的是，可以准备预先构造为与形成于传感元件(或者元件组件)和壳体之间的空间相对应的临时模制工件。在这种情况下，优选的是，在获得粉末填料层之前，挤压临时模制工件，以提高它们的密度。
根据本发明的气体传感器的第一到第四种制造方法，优选的是，通过将不同的粉末材料层置入来制造临时模制工件。特别是，尽管一个临时模制工件形成一个粉末填料层，但是也可以通过采用包括多个粉末材料层的临时模制工件来形成单个粉末填料层，其中多个粉末材料层含有不同成分和/或尺寸的颗粒。类似地也可获得本发明的效果。
根据本发明的气体传感器的第一到第四种制造方法，优选的是，满足关系1.0≤B/A≤5，这里，作为沿着气体传感器的径向方向所测得的长度，‘A’代表包括多个粉末填料层的密封件的最大宽度，作为沿着气体传感器的轴向方向测得的长度，‘B’代表包括多个粉末填料层的密封件的最大厚度。这种设置能够极大地提高气密性和/或水密性(参照第二实施例)。如果值B/A小于1.0或大于5，将会有气密性或水密性下降的可能。
此外，优选的是，通过放置奇数个不同粉末材料的复数层以形成对称层状结构来制造所述临时模制工件。在这种情况下，可以得到作为对称产品的临时模制工件，这种对称产品在其远端侧和近端侧具有相同的结构。因此，在将临时模制工件放置到壳体和传感元件之间或壳体和元件组件之间的组装过程中，不必要小心翼翼地检查临时模制工件是否位于正确的方向上。由此，可提高组装工作的效率，也因此提高了气体传感器的生产率。
根据本发明的第一或第二气体传感器，优选的是，与密封件的远端侧最接近的粉末填料层含有辅助填料。在这种情况下，密实的粉末填料层可位于远端侧处，即位于与被测气体环境最接近的位置处。因此，能够可靠地消除从被测气体环境进入的液体的入侵。
另外，优选的是，密封件包括另外的不含辅助填料的粉末填料层。在这种情况下，可以在高温下确保优良的水密性和气密性。特别是，当含有辅助填料的粉末填料层位于远端侧处时，将能够确保优异的水密性。然而，这在高温下难于确保优异的气密性。因此，除了采用含有辅助填料的粉末填料层外，还采用不含辅助填料层的粉末填料层，其所带来的效果是，在高温下能够确保优异的水密性和气密性。之后将参照附图对本发明的优选实施例进行说明。
第一实施例
参照图1到图8对本发明的一优选实施例进行说明。图1示出了该实施例的气体传感器，它包括插入到圆筒形壳体10内的传感元件2、位于壳体10的远端侧以将传感元件2的远端侧覆盖的被测气体罩11和位于壳体10的近端侧以将传感元件2的近端侧覆盖的大气罩12。此外，如图3所示，传感器1还包括密封件3，该密封件3由位于传感元件2和壳体10之间的第一和第二粉末填料层31和32组成。因此，通过密封件3对位于壳体10的内表面100和传感元件2的外表面200之间的间隙进行气密密封。
此后，将对第一实施例的气体传感器1进行详细的说明。如图1到3所示，传感器1具有位于圆筒形壳体10的远端侧处的被测气体罩11和位于圆筒形壳体10的近端侧处的大气罩12。被测气体罩11具有双层结构，其由外罩111和内罩112组成。内罩112的内部空间形成被测气体环境110。传感器2的远端侧暴露在被测气体环境110中，以对所检测的气体内含有的特殊气体(例如汽车内燃机的废气)的浓度进行检测。大气罩12包括主罩部件121和外罩部件122。外罩部件122经由防水过滤器125围绕着主罩部件121的近端侧压紧而被固定。主罩部件121的内部空间形成大气环境120。传感器2的近端侧暴露于大气环境120下。空气作为参照气体被导入到下述传感元件2的大气腔28内而存储在大气环境120下。此外，主罩部件121和外罩部件122具有气孔123和124，以用于将周围的空气导入到大气环境120中。
由盘簧131支承的大气侧绝缘体12被置于主罩部件121的内部。多个连接端子14位于大气侧绝缘体13的内部，以将下述信号输出端子211和221连接到导线15上，同时也将加热器引线连接到导线15上。另外，导线15被插入到位于大气侧绝缘体13的近端侧和主罩部件121的近端侧内的弹性绝缘体16内。
该实施例的传感元件2包括杯形的固体电解质20、位于固体电解质20的内外表面上的一对电极(图中未示出)、形成在固体电解质20的内部的大气腔28以及位于大气腔28内的加热器29。信号输出端子211和221位于传感器2的近端侧并且与传感器的电极(图中未示出)电连接。此外，加热器引线291位于加热器29的近端侧并与位于加热器29内的加热元件(未示出)电连接。在径向方向上向外突出的环状突起23位于传感元件2的外表面200上。传感器2具有位于突起23的远端侧处的端表面231。壳体10具有位于内表面100上的支承表面106(参照图2)。传感元件2的端表面231由壳体10的支承表面106支承。
另外，如图2和3所示，第一和第二粉末填料层31和32位于由突起23的内侧倾斜表面201、壳体10的外侧倾斜表面101、传感器2的外部表面200和壳体10的内部表面100所限定的空间中，其中内侧倾斜表面201形成于突起23近端侧，而外侧倾斜表面101形成于壳体10的内表面100上。第一粉末填料层31比第二粉末填料层32更靠近远端侧。衬垫部件191位于第二粉末填料层32的近端表面322上。绝缘体192位于衬垫部件191上。金属环193位于绝缘体192上。壳体10的近端侧109被向内嵌压，以从上方挤压和保持金属环193。这样，绝缘体192、衬垫部件191和第一、第二粉末填料层31和32均被固定在传感元件2和壳体10之间的环形间隙内。
如图3所示，第一粉末填料层31具有位于其远端侧处的底面。第一粉末填料层31的底面具有两个倾斜表面312和311。倾斜表面312安装在位于壳体10的内表面100上的外侧倾斜表面101上。倾斜表面311安装在传感元件2的外部表面200上的内侧倾斜表面201上。这样，第一粉末填料层31具有远端较尖的形状。在径向方向上，第一粉末填料层31的宽度随着其接近远端而减小。第二粉末填料层32具有远端表面321，它基本上是平的。此外，第二粉末填料层32具有近端表面322，其从壳体10向着传感元件2沿径向方向下降。另外，第一和第二粉末填料层31和32均由滑石粉末制成。正如所熟知的，滑石是一种粘土矿物，并且是一种以MgO和SiO2为主要成分的天然材料。第一和第二粉末填料层31和32均由相同的滑石粉末制成。
接下来，将对形成第一和第二粉末填料层31和32的方法进行说明。首先，将传感元件2插入到壳体10内。然后，如图4A所示，将形成为第一粉末填料层31的第一临时模制工件310置入传感元件2和壳体10之间。如图8所示，第一临时模制工件310具有环状体。如果必要的话，还可将适量的水加入到滑石粉末中而形成该环状体，然后将滑石粉末模制于环形成型模内。然后，通过压机将被模制的滑石粉末构造为环状体。就加入到滑石粉末中的水而言，优选的是，在将滑石粉末模制成环形体或组装到壳体10内后将其蒸发掉。
然后，如图4A所示，将圆柱形模具41从上方下降至位于传感元件2和壳体10之间的间隙内，以对第一临时模制工件310进行挤压。因此，如图4B所示，第一临时模制工件310被挤压并成形为第一粉末填料层31。接下来，如图5所示，将形成为第二粉末填料层32的第二临时模制工件320放置到第一粉末填料层31上。此外，依次将衬垫部件191和绝缘体192放置到第一粉末填料层31上。接着，将圆柱形模具(未示出)从上方降下，以经由绝缘体192对第二临时模制工件320进行挤压。这样，第二临时模制工件320被挤压并成形为第二粉末填料层32。就用于形成第二粉末填料层32所执行的挤压操作而言，可以在将绝缘体192和衬垫部件191置入之前挤压第二临时模制工件320。或者，可以同时挤压位于传感元件2和壳体10之间的第一和第二临时模制工件310和320，以同时获得第一和第二粉末填料层31和32。
接下来，如图6所示，将金属环193放置到绝缘体192上。然后，如图7A所示，将冷的嵌压模具(caulking die)142放置在壳体10的近端侧，以使壳体10的近端侧109向内发生变形，从而固定地保持金属环193。此外，如图7B所示，将热的嵌压模具143放置于壳体10的近端侧，以使得壳体10的热嵌压部分109a在热嵌压操作中发生弯曲。通过上面的操作，第一和第二粉末填料层31和32将被牢固地固定，从而完全地将传感元件2和壳体10之间的间隙密封住。此后，其余的组成部件将以预定的次序被安装，以获得该实施例的气体传感器1。
本实施例的气体传感器1包括密封件3，它由位于传感元件2和壳体10之间的间隙内的第一和第二粉末填料层31和32组成。提供第一和第二粉末填料层31和32所带来的效果是，确保了形成于被测气体罩11内的被测气体环境110与形成于大气罩12内的大气环境120之间相互分离或隔绝。因此，本实施例的气体传感器1具有优良的水密性，从而可靠地阻止了液体从被测气体环境110中进入。此外，密封件3具有均匀和很高的密度。密封件3的密度不容易发生变化，由此它保持了长久并优异的密封性能。同时，根据本实施例，密封件3能够通过包括临时模制粉末材料的步骤和挤压临时模制工件的步骤的简单加工方法制造。这样，不需要特殊的设备来制造该密封件，因此该密封件很容易制造。
另外，本实施例的第一和第二粉末填料层31和32由滑石制成。由于滑石可在室温下进行模制，因此节省了热能。此外，滑石颗粒为具有层状结构的鳞状颗粒。当挤压这些滑石颗粒时，在层与层的方向发生分裂，同时保持鳞状颗粒的层状结构。另外，由于鳞状颗粒足够软(莫氏硬度＝1)，鳞状颗粒在获得粉末填料层之前会发生变形，从而消除存在于鳞状颗粒之间的间隙。因此，比重增大，由此很容易地获得了优异的密封性能。
为了评估本发明第一实施例中的气体传感器，发明者准备了各种样品，并对这些样品进行了各种测试。特别是，发明者已经就形成密封件的各粉末填料层的尺寸进行了气密和/或水密性评估。总共准备了25个样品，并且根据密封件的层结构将这些样品大致分成3组。特别是，第一组(即样品1到4)的特征为密封件具有单层结构。第二组(即样品5到21)的特征在于密封件具有双层结构。并且，第三组(即样品22到25)的特征在于密封件具有三层结构。就此方面，测试样品1到4具有传统结构。测试样品5到21具有第一实施例的结构。就除了密封件外的其它结构而言，样品1到25具有与第一实施例的气体传感器相同的结构。另外，就粉末填料层的成分和制造方法而言，在测试样品1到25和第一实施例的气体传感器之间没有实质上的差别。
测试样品5到21具有如图3所示的双层结构的密封件。在如图3所示的气体传感器中，现在假设‘A’代表密封件3的最大宽度，‘B’代表密封件3的最大厚度，‘A1’代表第一粉末填料层31的最大厚度，‘B1’代表第一粉末填料层31的最大厚度，‘A2’代表第二粉末填料层31的最大宽度，‘B2’代表第二粉末填料层32的最大厚度。此外，厚度A1和A2彼此相同并被设置为2mm，同时相应地，最大宽度A也为2mm。这里，最大宽度为沿着气体传感器的径向方向上所测得的长度。最大厚度为沿着实质上具有转动体的气体传感器的轴向方向所测得的长度。
测试样品1到4具有单层结构的密封件，它仅包括一层(即第一)粉末填料层(附图中未示出)。因此，密封件的最大宽度A等于第一粉末填料层的最大宽度‘A1’。密封件的最大厚度B等于第一粉末填料层的最大厚度‘B1’。此外，宽度A1和A被设置成2mm。样品22到25具有三层结构的密封件，它由第一到第三层粉末填料层(附图中未示出)组成。与图3的结构类似，样品22到25包括具有最大宽度‘A1’和最大厚度‘B1’的第一粉末填料层、具有最大宽度‘A2’和最大厚度‘B2’的第二填料层以及具有最大宽度‘A3’和最大厚度‘B3’的第三粉末填料层。密封件具有最大宽度‘A’和最大厚度‘B’。此外，宽度A1、A2和A3彼此相等并且均被设置为2mm，因此最大宽度A也为2mm。
根据下面的方法对各测试样品中的密封件的密封性能进行检测。首先，从远端侧将气体传感器的每一样品进行加热，从而第一粉末填料层(在样品1到4的各例子中，仅由一层粉末填料层形成密封件)的内侧倾斜表面和外侧倾斜表面的温度上升到400℃，并且位于传感器的近端侧处的弹性绝缘件(在图1中由附图标记16示出)的温度达到250℃。然后将500cc的水在被加热的传感器体上喷射20秒。这样对于气体传感器的每一样品而言，加热和冷却操作均反复进行了500次循环。然后，通过采用下面的方法来评估每一测试样品的密封性能。
将位于气体传感器的远端处的壳体插入到一管内。将1Mpa(10atm)的压力施加到位于管内的壳体上，以增加被测气体环境的压力。在这种条件下，通过密封件、衬垫部件、绝缘体和金属环从被测气体环境泄漏到大气环境中的气体量被检测。在将气体传感器放置到汽车发动机的排气管内以检测废气的气体浓度的情况下，排气管的内压通常低于1Mpa。这样，当在此测试中产生的泄漏量等于或小于10毫升/分(ml/min)时，当气体传感器安装在汽车发动机的排气管内时，测试样品被认为具有足够的密封性能。考虑到此事实，对样品1到25的气密性所作出的评估被分为4类。特别是，如表1所示，×表示泄漏量超过10毫升/分的样品；○表示泄漏量超过5毫升/分且不超过10毫升/分的样品；◎表示泄漏量超过2.5毫升/分且不超过5毫升/分的样品；☆表示泄漏量不超过2.5毫升/分的样品。这些检测在第一粉末填料层被加热到550℃的高温环境下进行。
接下来，将气体传感器的被测气体罩的内部空间填充以着色溶剂。然后，在12小时过后，对从被测气体环境浸入到密封件内的着色溶剂的最大深度进行检测。当着色溶剂的浸入深度小时，测试样品具有优异的水密性，并且可以被认为当气体传感器安装在汽车发动机的排气管内时具有足够的密封性能。考虑到此事实，对样品1到25的气密性所作出的评估被分为4类。特别是，每一样品1到25的水密性根据L/B的比率来评估，这里‘L’表示着色溶剂浸入的深度，‘B’表示密封件的最大高度。如表1所示，×表示比率L/B超过70％的样品；○表示比率L/B超过50％但小于70％的样品；◎表示比率L/B超过25％但小于50％的样品；☆表示比率L/B不超过25％的样品。这些检测在室温下进行。表1示出了上述评估测试的结果。
表1
样品编号 密封件 B/A B1/A1 B2/A2 B3/A3   气密性(毫升/分) 气密性评估 水密性(％) 水密性评估
  1 单层   0.8   --   --   --   23   ×   100   ×
  2   1.5 -- --   --   15   ×   75   ×
  3   3.0   --   --   --   11   ×   80   ×
  4   5.0   --   --   --   16   ×   85   ×
  5 双层   0.6   0.3   0.3   --   15   ×   75   ×
  6   0.8   0.4   0.4   --   10   ○   65   ○
  7   1.0   0.5   0.5   --   5   ◎   45   ◎
  8   1.2   0.6   0.6   --   1.5   ☆   25   ☆
  9   2.0   1.0   1.0   --   1   ☆   15   ☆
  10   3.0   1.5   1.5   --   2.5   ☆   30   ◎
  11   4.0   2.0   2.0   --   4   ◎   40   ◎
  12   5.0   2.5   2.5   --   4.5   ◎   40   ◎
  13   6.0   3.0   3.0   --   8   ○   55   ○
  14   1.0   0.6   0.4   --   4.5   ◎   35   ◎
  15   2.0   1.5   0.5   --   2   ☆   45   ◎
  16   3.0   2.0   1.0   --   3   ◎   45   ◎
  17   4.0   3.0   1.0   --   4.5   ◎   50   ◎
  18   1.0   0.4   0.6   --   5   ◎   50   ◎
  19   2.0   0.5   1.5   --   3   ◎   35   ◎
  20   3.0   1.0   2.0   --   3   ◎   30   ◎
  21   4.0   1.0   3.0   --   3.5   ◎   35   ◎
  22 三层   3.0   1.0   1.0   1.0   1.5   ☆   15   ☆
  23   4.0   1.3   1.3   1.3   1.5   ☆   20   ☆
  24   5.0   1.7   1.7   1.7   3.5   ◎   35   ◎
  25   6.0   2.0   2.0   2.0   6   ○   40   ◎
首先，就具有由单层粉末填料层组成的密封件的样品1到4而言，由于其气密性和水密性均被评估为×，因此其气密性和水密性均不令人满意。其次，就具有由双层粉末填料层组成的密封件的样品6到21而言，由于其气密性和水密性均被评估为○、◎或☆，因此其气密性和水密性都是优异的。就样品5而言，虽然其比率B/A小于样品1，但是其气密性和水密性都优于样品1。因此，可以确认，采用双层结构的密封件带来了同时提高气密性和水密性的效果。此外，满足条件1.0≤B/A≤5.0的样品7到12和14到21均被评估为◎或☆，因此确保了更加优异的气密性和水密性。此外，满足条件0.6≤B1/A1≤1.3和0.6≤B2/A2≤1.3的样品8和9均被评估为☆，因此确保了更优异的气密性和水密性。就具有由三层粉末填料层构成的密封件的样品21到25而言，其气密性和水密性均被评估为○、◎或☆，因此其气密性和水密性都是优异的。另外，满足条件1.0≤B/A≤5.0的样品22到24均被评估为◎或☆，因此确保了更加优异的气密性和水密性。
另外，发明人还就气体传感器的各个部分的角度对本发明第一实施例的气体传感器进行了下面的测试，以评估其气密和/或水密性。特别是，在第一实施例的气体传感器中，使与气体传感器的远端侧最接近的第一粉末填料层31与从壳体10向着传感元件2的方向下降的外侧倾斜表面101接触，并且还使其与从传感元件2向着壳体10下降的内侧倾斜表面201接触。现在假设，‘C’代表形成于内侧倾斜表面201和与气体传感器的轴向方向垂直的直线之间的夹角，‘D’代表形成于外侧倾斜表面101和与气体传感器的轴向方向垂直的直线之间的夹角，‘E’代表形成于内侧倾斜表面201和外侧倾斜表面101之间的夹角。特别是，如图9所示，当‘Lx’代表平行于气体传感器的径向方向的直线时，‘C’代表形成于直线Lx和内侧倾斜表面201之间的夹角，‘D’代表形成于Lx和外侧倾斜表面101之间的夹角，并且‘E’代表形成于内侧倾斜表面201和外侧倾斜表面101之间的夹角。
发明人准备了测试样品26到50。测试样品26、27和28具有由单个粉末填料层构成传统密封件。各样品26、27和28的其它结构与本发明的第一实施例的气体传感器相同。另外，这些样品26、27和28与第一实施例的气体传感器的粉末填料的成分以及制造方法相同。如图9所示，使每一样品26、27和28的单个粉末填料层在其底面上与内部和外侧倾斜表面相接触。
样品26到50为一些气体传感器，它们中的每一个具有由本发明的第一实施例的两个粉末填料层组成并且角度C、D或E互不相同的密封件，就样品26到50而言，密封件的宽度‘m’为2mm，轴向长度‘n’为6mm(参照图9)。在每一测试样品中，根据上述方法对密封件3的密封性能进行检测。表2示出了上面的评估测试的结果。
表2
  样品编号 密封件 C D E   气密性(毫升/分)   气密性评估   水密性(％)   水密性评估
  26   单层   60   30   90   16   ×   100   ×
  27   30   30   120   11   ×   75   ×
  28   0   0   180   8   ○   80   ×
  29   双层   60   60   60   8   ○   70   ○
  30   60   30   90   6.5   ○   60   ○
  31   60   0   120   5.5   ○   55   ○
  32   50   0   130   5   ◎   40   ◎
  33   40   0   140   3   ◎   35   ◎
  34   30   0   150   2   ☆   20   ☆
  35   30   30   120   2.5   ☆   30   ◎
  36   30   60   90   6   ○   65   ○
  37   0   60   120   5   ◎   60   ○
  38   0   50   130   4.5   ◎   30   ◎
  39   0   40   140   3.5   ◎   30   ◎
  40   0   30   150   2   ☆   15   ☆
  41   0   0   180   1   ☆   10   ☆
  42   40   40   100   4.5   ◎   55   ○
  43   40   30   110   4.5   ◎   55   ○
  44   40   20   120   4   ◎   35   ◎
  45   30   40   110   4   ◎   60   ○
  46   20   40   120   4.5   ◎   40   ◎
  47   10   50   120   4   ◎   40   ◎
  48   20   50   110   5   ◎   60   ○
  49   50   10   120   4   ◎   30   ◎
  50   50   20   110   4   ◎   65   ○
从表2中可明显看出，具有由单层粉末填料层组成的传统密封件的样品26到28无论是在气密性还是在水密性上均不令人满意，并且均被评估为×。另外，具有由两层粉末填料层组成的密封件的样品29到50均显示了优异的气密性和水密性，并且均被评估为○、◎或☆。特别是，满足关系0°≤C≤50°，0°≤D≤50°以及120°≤E≤180°的样品32到35、38到41、44、46、47和49均被评估为◎或☆，因此它们确保了更加优异的气密性和水密性。
第二实施例
如图10所示的实施例披露了一气体传感器1a，它包括插入到圆筒形壳体10内的元件组件4。元件组件4为传感元件41和圆筒形绝缘管42的组件，该传感元件41和圆筒形绝缘管42形成为一体，从而圆筒形绝缘管42围绕着传感元件41的外圆柱表面。另外，气体传感器1a包括位于壳体10的远端侧以将传感元件41的远端侧覆盖的被测气体罩11，以及位于壳体10的近端侧以将传感元件41的近端侧覆盖的大气罩12。
该实施例的气体传感器1a具有元件组件4，它包括插入到圆筒形绝缘管42内的平面状多层传感元件41，同时玻璃密封件43位于传感元件41和绝缘管42之间，以在它们之间提供气密密封。另外，与第一实施例类似，由第一和第二粉末填料层31和32组成的密封件3位于元件组件41和壳体10之间的间隙内。第一粉末填料层31与第二粉末填料层32相比更接近远端侧。衬垫部件191位于第二粉末填料层32的近端表面32上。绝缘体192位于衬垫部件191上。金属环193位于绝缘体192上。壳体10的近端侧109被向内嵌压，以从上方挤压和保持金属环193。这样，绝缘体192、衬垫部件191和第一、第二粉末填料层31和32均被固定在元件组件4和壳体10之间的环形间隙内。第二实施例的气体传感器1a的其余结构与第一实施例的气体传感器1的结构相同。此外，第一实施例的气体传感器1的制造方法同样也可应用于第二实施例的气体传感器1a中。
根据该实施例的气体传感器1a，它确保了形成于被测气体罩11内的被测气体环境110与形成于大气罩12内的大气环境120之间相互分离或隔绝。因此，水密性得到提高，从而可靠地消除了液体从被测气体环境110中进入的危险。此外，由第一和第二二粉末填料层31和32组成的密封件3的密度变得均匀并提高。该密度不容易发生变化，由此它保持了长久并优异的密封性能。
第三实施例
如图11所示的实施例披露了将形成为密封件3的临时模制工件330，它通过设置奇数层的不同粉末材料层以形成对称的层状结构来制造临时模制工件，这种结构在层压方向上被布置成对称的。特别是，临时模制工件330包括由第一密封粉末形成的第一层331、由第二密封粉末形成的第二层332以及由第三密封粉末形成的第三层333，它们以此顺序层叠。第一层331和第三层333由相同的密封粉末制成，并且具有相同的厚度‘a’。另外，第二层332由与第一和第三层的密封粉末不同的密封粉末制成。此外，第二层332的厚度为‘b’，它可以与第一层331和第三层333的厚度‘a’不同或者相同。
根据该实施例，可以得到作为对称产品的临时模制工件，这种对称产品在其远端侧和近端侧具有相同的结构。因此，在将临时模制工件300放置到壳体10和传感元件2之间(参照图1)或者壳体10和元件组件4之间(参照图10)的组装过程中，不必要小心翼翼地检查临时模制工件是否位于正确的方向上。即，由于临时模制工件330在每种情况下均能够被正确放置，因此没有必要将第一层331或第三层333指定为将与远端侧对准的部分。由此，可提高放置临时模制工件330的组装工作的效率，也因此提高了气体传感器的生产率。另外，该实施例可产生与第一实施例类似的作用和效果。

Claims (23)

1.一种气体传感器，它包括：
插入到一圆筒形壳体(10)内的传感元件(2)；
位于所述壳体(10)的远端侧以将所述传感元件(2)的远端侧覆盖的被测气体罩(11)；以及
位于所述壳体(10)的近端侧以将所述传感元件(2)的近端侧覆盖的大气罩(12)，
其中，所述壳体(10)的内表面和所述传感元件(2)的外表面之间的间隙通过包括多个粉末填料层(31，32)的密封件(3)进行气密密封。
2.一种气体传感器，它包括：
插入到一圆筒形壳体(10)内的元件组件(4)，所述元件组件(4)包括传感元件(41)和组装在所述传感元件周围的圆筒形绝缘管(42)；
位于所述壳体(10)远端侧以将所述传感元件(41)的远端侧覆盖的被测气体罩(11)；以及
位于所述壳体(10)的近端侧以将所述传感元件(41)的近端侧覆盖的大气罩(12)，
其中，所述壳体(10)的内表面和所述元件组件(4)的外表面之间的间隙通过包括多个粉末填料层(31，32)的密封件(3)进行气密密封。
3.如权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，
所述多个粉末填料层(31，32)包括预定的粉末材料，该粉末材料包含重量百分比含量等于或大于总重量的80％的粒径在80-1000μm范围内的颗粒物。
4.如权利要求1至3中任一项所述的气体传感器，其特征在于，
所述多个粉末填料层包括最接近气体传感器的远端侧的第一粉末填料层(31)，
所述第一粉末填料层(31)与位于所述传感元件(2)或所述元件组件(4)的外表面(200)上的内侧倾斜表面(201)接触并且从所述传感元件向所述壳体(10)倾斜，
所述第一粉末填料层(31)与位于所述壳体(10)的内表面(100)上的外侧倾斜表面(101)接触并且从所述壳体(10)向所述传感元件倾斜，以及
还满足条件0°≤C≤50°，0°≤D≤50°和120°≤E≤180°。
其中‘C’代表形成于所述内侧倾斜表面(201)和与所述气体传感器的轴向方向垂直的直线(Lx)之间的夹角，
‘D’代表形成于所述外侧倾斜表面(101)和与所述气体传感器的轴向方向垂直的直线(Lx)之间的夹角，
‘E’代表形成于所述内侧倾斜表面(201)和所述外侧倾斜表面(101)之间的夹角。
5.如权利要求1至4中任一项所述的气体传感器，其特征在于，还包括与所述多个粉末填料层中的至少一个的端表面接触的衬垫部件(191)。
6.如权利要求1至5中任一项所述的气体传感器，其特征在于，所述多个粉末填料层中的至少一个含有辅助填料。
7.如权利要求6所述的气体传感器，其特征在于，所述辅助填料从由原铝磷酸水溶液、硅酸钠水溶液和硅酸钾水溶液组成的组中选择。
8.如权利要求7所述的气体传感器，其特征在于，所述辅助填料相对于所述多个粉末填料层中的至少一个的总重量的重量百分比含量在0.1-10％的范围内。
9.如权利要求6所述的气体传感器，其特征在于，
所述辅助填料含有至少一种成分，该成分从由氢氧化钡、硼钛酸盐玻璃、硅酸铝玻璃、碱石灰硅酸盐玻璃、硅酸铅玻璃、低熔点硼酸盐玻璃、石灰铝基玻璃以及铝酸盐玻璃组成的组中选择。
10.如权利要求9所述的气体传感器，其特征在于，所述辅助填料相对于所述多个粉末填料层中的至少一个的总重量的重量百分比含量在0.5-30％的范围内。
11.如权利要求1至10中任一项所述的气体传感器，其特征在于，
所述粉末填料层含有滑石或氮化硼，其相对于粉末填料层的总重量的重量百分比含量等于或大于50％。
12.一种用于制造气体传感器的方法，该气体传感器包括插入到一圆筒形壳体(10)内的传感元件(2)、位于所述壳体(10)的远端侧以将所述传感元件(2)的远端侧覆盖的被测气体罩(11)以及位于所述壳体(10)的近端侧以将所述传感元件(2)的近端侧覆盖的大气罩(11)，所述制造方法包括：
在第一步中，将所述传感元件(2)插入到所述壳体(10)内；
在第二步中，将一临时模制工件(310)放置于所述壳体(10)和所述传感元件(2)之间，通过临时地模制预定的粉末材料来制得所述临时模制元件；以及
在完成所述第二步后执行第三步，在该第三步中，从上方挤压并填充所述临时模制工件(310)，以形成一单个粉末填料层(31)，
其中重复执行所述第二和第三步，以形成一密封件的多个粉末填料层(31，32)，由此通过包括所述多个粉末填料层(31，32)的所述密封件(3)对所述壳体(10)的内表面和所述传感元件(2)的外表面之间的间隙进行气密密封。
13.一种用于制造气体传感器的方法，该气体传感器包括插入到一圆筒形壳体(10)内的传感元件(2)、位于所述壳体(10)的远端侧以将所述传感元件(2)的远端侧覆盖的被测气体罩(11)以及位于所述壳体(10)的近端侧以将所述传感元件(2)的近端侧覆盖的大气罩(12)，所述制造方法包括：
在第一步中，将所述传感元件插入到所述壳体(10)内；
在第二步中，将多个临时模制工件(310，320)放置于所述壳体(10)和所述传感元件(2)之间，通过临时地模制预定的粉末材料来制得每一临时模制元件；以及
在完成第二步后执行第三步，在该第三步中，从上方同时挤压并填充所有的临时模制工件(310，320)，以形成一密封件(3)的多个粉末填料层(31，32)，由此通过包括所述多个粉末填料层(31，32)的所述密封件(3)来对所述壳体(10)的内表面和所述传感元件(2)的外表面之间的间隙进行气密密封。
14.如权利要求12或13所述的制造方法，其特征在于，通过放置不同的粉末材料层来制得所述临时模制工件。
15.一种用于制造气体传感器的方法，该气体传感器包括插入到一圆筒形壳体(10)内的元件组件(4)、位于所述壳体(10)的远端侧以将所述传感元件(41)的远端侧覆盖的被测气体罩(11)以及位于所述壳体(10)的近端侧以将所述传感元件(41)的近端侧覆盖的大气罩(12)，其中所述元件组件(4)包括传感元件(41)以及组装在该传感元件(41)周围的圆筒形绝缘管(42)，所述制造方法包括：
在第一步中，将所述元件组件(4)插入到所述壳体(10)内；
在第二步中，将一临时模制工件(310)放置于所述壳体(10)和所述元件组件(4)之间，通过临时地模制预定的粉末材料来制得所述临时模制元件；以及
在完成了第二步后进行第三步，在该第三步中，从上方挤压并填充所述临时模制工件，以形成单个粉末填料层(31)，
其中所述第二和第三步被重复执行，以形成一密封件(3)的多个粉末填料层(31，32)，由此通过包括所述多个粉末填料层(31，32)的所述密封件(3)来对所述壳体(10)的内表面和所述元件组件(4)的外表面之间的间隙进行气密密封。
16.一种用于制造气体传感器的方法，该气体传感器包括插入到一圆筒形壳体(10)内的元件组件(4)、位于所述壳体(10)的远端侧以将所述传感元件(41)的远端侧覆盖的被测气体罩(11)以及位于所述壳体(10)的近端侧以将所述传感元件(2)的近端侧覆盖的大气罩(12)，其中所述元件组件(4)包括传感元件(41)以及组装在该传感元件(41)周围的圆筒形绝缘管(42)，所述制造方法包括：
在第一步中，将所述元件组件(4)插入到所述壳体(10)内；
在第二步中，将多个临时模制工件(310，320)放置于所述壳体(10)和所述元件组件(4)之间，通过临时地模制预定的粉末材料来制得所述每一临时模制元件；
在完成了第二步后进行第三步，在该第三步中，从上方同时挤压并填充所有临时模制工件(310，320)，以形成一密封件(3)的所述多个粉末填料层(31，32)，由此通过包括所述多个粉末填料层(31，32)的所述密封件(3)来对所述壳体(10)的内表面和所述组件元件(4)的外表面之间的间隙进行气密密封。
17.如权利要求15或16所述的制造方法，其特征在于，通过放置不同粉末材料的层来制得所述临时模制工件。
18.如权利要求12至17中任一项所述的气体传感器的制造方法，其特征在于，
满足关系1.0≤B/A≤5，
这里，作为沿着气体传感器的径向方向所测得的长度，‘A’代表包括所述多个粉末填料层(31，32)的所述密封件(3)的最大宽度，作为沿着气体传感器的轴向方向测得的长度，‘B’代表包括所述多个粉末填料层(31，32)的所述密封件(3)的最大厚度。
19.一种用于制造气体传感器的方法，该气体传感器包括插入到一圆筒形壳体(10)内的传感元件(2)、位于所述壳体(10)的远端侧以将所述传感元件(2)的远端侧覆盖的被测气体罩(11)以及位于所述壳体(10)的近端侧以将所述传感元件(10)的近端侧覆盖的大气罩(12)，所述制造方法包括：
在第一步中，将所述传感元件(2)插入到所述壳体(10)内；
在第二步中，将预定的粉末材料填充到所述壳体(10)和所述传感元件(2)之间，以及
在完成了第二步后进行第三步，在该第三步中，从上方挤压所述预定的粉末材料，以形成单个粉末填料层(31)，
其中所述第二和第三步被重复执行，以形成一密封件(3)的多个粉末填料层(31，32)，由此通过包括所述多个粉末填料层(31，32)的所述密封件(3)来对所述壳体(10)的内表面和所述传感元件(2)的外表面之间的间隙进行气密密封。
20.一种用于制造气体传感器的方法，该气体传感器包括插入到一圆筒形壳体(10)内的元件组件(4)、位于所述壳体(10)的远端侧以将所述传感元件(41)的远端侧覆盖的被测气体罩(11)以及位于所述壳体(10)的近端侧以将所述传感元件(41)的近端侧覆盖的大气罩(12)，所述元件组件(4)包括传感元件(41)以及组装在该传感元件(41)的周围的圆筒形绝缘管(42)，所述制造方法包括：
在第一步中，将所述元件组件(4)插入到所述壳体(10)内；
在第二步中，将预定的粉末材料填充到所述壳体(10)和所述元件组件(4)之间；以及
在完成了第二步后进行第三步，在该第三步中，从上方挤压所述预定的粉末材料，以形成单个粉末填料层(31)，
其中所述第二和第三步被重复执行，以形成一密封件(3)的多个粉末填料层(31，32)，由此通过包括所述多个粉末填料层(3，32)的所述密封件来对所述壳体(10)的内表面和所述元件组件(4)的外表面之间的间隙进行气密密封。
21.如权利要求14或17所述的气体传感器的制造方法，其特征在于，通过放置奇数个不同粉末材料的复数层(331，332，333)以形成对称层状结构来制造所述临时模制工件。
22.如权利要求6所述的气体传感器，其特征在于，最接近所述密封件的远端侧的粉末填料层(31)含有所述辅助填料。
23.如权利要求22所述的气体传感器，其特征在于，所述密封件(3)包括另一个不含辅助填料的粉末填料层。
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