专利名称：气体传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种气体传感器，特别是涉及一种具有保护装置的气体传感器，该保护装置用来覆盖具有底部的圆柱形或平板形的气体传感器元件暴露在待测定气体中的那部分。
背景技术：
气体传感器，例如氧气传感器、氧化氮传感器或HC传感器在现有技术中是已知的。这种气体传感器通常具有保护装置，用于覆盖并保护这种暴露在目标气体，例如废气中的气体传感器的前端部分。具有这种保护装置的气体传感器公开在例如JP-A-2000-171429、JP-A-2002-162377和JP-A-2000-304719中。
公开在JP-A-2000-171429中的气体传感器，其元件罩(或保护装置)具有双管结构，其中，带有底部的圆柱形的外管和内管相互重叠。用于通过目标气体的侧孔各自形成在外管的侧部和内管的侧部。外管上的侧孔设置在尾端侧，而内管上的侧孔比外管上的侧孔设置在靠近前端侧。而且，用于通过目标气体的底孔也形成在外管的底部和内管的底部。
公开在JP-A-2002-162377中的气体传感器，其保护管(或保护装置)由各自具有通风孔的外保护管和内保护管构成。外保护管的通风孔形成在外保护管的侧壁。内保护管的通风孔形成在设置于该内保护管的尾端侧的凸缘部分，并且这个凸缘部分以金属壳体的通孔形式设置。另外，通风孔还形成在该外保护管和该内保护管的底部。
公开在JP-A-2000-304719中的气体传感器，其保护罩(或保护装置)具有覆盖传感器元件前端部分的内保护罩，和覆盖该内保护罩的外保护罩，以及设置在这两个保护罩之间的中间保护罩，从而构造一个三重保护。外保护罩的外气体引入孔形成在该外保护罩的前端侧。中间保护罩的中间气体引入孔形成在凸缘部分，该凸缘部分设置在该圆柱形部分的后面并邻靠该外保护罩的内壁。该内保护罩的内气体引入孔，从轴向看，形成在该外气体引入孔和该中间气体引入孔之间。而且，内气体排放口形成在该内保护罩的底部。
在JP-A-2000-171429中公开的气体传感器，经外管侧孔从外部引入的目标气体流向外管和内管之间的前端，并通过该内管的侧壁引入该内管。然后，目标气体流向内管的前端。此后，目标气体通过内管的底孔和外管的底孔部分地排放，并且部分地流向内管的尾端，以便通过内管的侧孔和外管的侧孔排放到外部。
然而，在具有这种目标气体流的气体传感器中，目标气体驻留在内管的尾端侧(即，比内管的侧孔靠近尾端侧)，从而降低传感器的响应性。此外，当使其前端向下地使用气体传感器时，与目标气体一起从外管的侧孔进入的冷凝水沿内管的外壁表面流向前端，并通过内管的侧孔进入内管中。另外，冷凝水可能浸湿气体检测元件(或检测部分)。尤其是，在JP-A-2000-171429的气体传感器中，内管的侧孔形成在靠近检测部分。因此，已经进入内管的冷凝水很容易浸湿检测部分。在具有加热器的气体传感器中，当废气的温度降低(例如100℃或更低)时可以浸湿检测部分，或废气管中的水可以被气流溅射而浸湿检测部分。那么，检测元件可能会由于加热器急剧的加热而破裂。因此，该气体传感器的抗水性不好。
在JP-A-2002-162377中公开的气体传感器中，从外部经外保护管的通风孔进入的目标气体流向外保护管和内保护管之间的尾端，使它通过形成在内保护管凸缘部分的通风孔进入内保护管。然后目标气体流向内保护管的前端。此后，目标气体通过形成在内保护管和外保护管底面部分的通风孔排放到外面。
然而，在这种类型的气体传感器中，内保护管的通风孔设置在金属壳体上。因此，从通风孔到传感器元件的检测部分的距离可能被拉长(或连通通道被拉长)降低了传感器的响应性。此外，气体传感器构造成将内保护管的凸缘部分设置成金属壳体的通孔形式。因此，需要将该金属壳体前端部分的内径加大到某种程度。另一方面，该金属壳体从强度方面考虑自然需要具有一定的厚度。因此，该气体传感器在径向较大。
在JP-A-2000-304719中公开的气体传感器中，通过外保护罩的外气体引入孔从外部引进的目标气体流向外保护罩和中间保护罩之间的尾端，并通过形成在中间保护罩的凸缘部分的中间气体引入孔进入内侧。目标气体进一步流向该中间保护罩和内保护罩之间的前端，并通过内保护罩的内气体引入孔进入内侧。而且，目标气体还流向该内保护罩的前端。此后，目标气体通过形成在内保护罩底面部分的内气体出口流动，并通过外保护罩的外气体引入孔排放到外面。
然而，在这种气体传感器中，保护罩具有由外保护罩、中间保护罩和内保护罩组成的三重结构。
因此，该气体传感器结构复杂并具有大量零件和大量制造步骤。因此，这种传感器增加了成本。
发明内容
本发明考虑到到现在为止所描述的情况进行构思，本发明的目的是提供一种气体传感器，其具有良好的响应性和抗水性，并且能够以合理的成本制造。
根据本发明的一方面，提供一种气体传感器，其包括沿轴向延伸并且至少在其自己的前端部分具有气体敏感特性的气体传感器元件；包围该气体传感器元件的圆柱形金属壳体，使得该气体传感器元件的前端部分从其自己的前端伸出，并具有形成在其内圆周上的支撑面，用于支撑该气体传感器元件的轴向；以及固定在该金属壳体上并覆盖该气体传感器元件的前端部分的保护装置，其中，该保护装置具有双重结构，包括通过一定间隙覆盖该气体传感器元件前端部分的圆柱形内罩部分和围绕该内罩部分设置的圆柱形外罩部分，其中，该外罩部分包括外圆柱形部分，其具有将目标气体从外部引入到该外罩部分内侧的外气体引入孔，其中，该内罩部分包括围绕该气体传感器元件前端部分的内圆柱形部分；和设置在该内圆柱形部分前端侧的内前端通风孔，并且其中，设置在该金属壳体支撑面前端侧的前端部分、外圆柱形部分和内圆柱形部分设置成构造一个内气体引入通道，用于在该外圆柱形部分和内圆柱形之间、经过该内圆柱形部分的尾端，将从外气体引入孔引进的目标气体，引导进入该内罩部分和该气体传感器元件的前端部分之间的间隙，其中从轴向看，该内圆柱形部分的尾端比接合该金属壳体的前端部分的该内圆周和该外圆周的接合面的内圆周侧端边缘更靠近该尾端侧。
本发明的气体传感器具有在外罩部分的外圆柱形部分的外气体引入孔。并且，该气体传感器具有内气体引入通道，其由该金属壳体的前端部分、该外罩部分的外圆柱形部分和该内罩部分的内圆柱形部分形成。此外，该气体传感器具有内前端通孔，其设置在该内罩部分的前端方向。
以这种结构，通过外罩部分的外气体从外部引入孔进入内侧的目标气体流向该外罩部分和该内罩部分之间的尾端，并通过内气体引入通道进一步进入该内罩部分的内侧。此后，目标气体通过该内罩部分和该气体传感器元件前端部分之间的间隙流向前端。此后，目标气体通过内前端通孔排放到外面。因此，该气体传感器具有良好的目标气体流入特性。另一方面，在使其前端向下使用气体传感器的情况下，与目标气体一起通过外气体引入孔进入内侧的冷凝水不流进设置在比外气体引入孔更靠近尾端侧的内气体引入通道，而是沿内罩部分的内圆柱形部分的外壁表面流向前端侧。结果，冷凝水很难浸湿该气体传感器元件而使该气体传感器破裂。因此，该气体传感器不仅响应性极好而且抗水性也极好。
这里，在JP-A-2002-162377中公开的气体传感器中，从内保护管的通风孔到该传感器元件的检测部分的距离可能被拉长而降低了该传感器的响应性。相反，在本发明的气体传感器中，内气体引入通道设置在靠近前端侧，所以，从该内气体引导通道到气体传感器元件的前端部分的距离被缩短，从而提高该气体传感器的响应性。
而且，在JP-A-2002-162377中公开的气体传感器如上所述构造成将内保护管的凸缘部分设置成金属壳体的通孔形式，使得该气体传感器尺寸变大。相反，本发明的气体传感器具有设置在靠近前端的内气体引入通道，因此其能够具有小尺寸。
另一方面，在JP-A-2000-304719中公开的气体传感器中，保护罩如上所述具有三重结构，该复杂结构增加了零件的数目和制造步骤的数目。因此，该气体传感器具有较高的成本。相反，本发明的气体传感器具有双重结构的保护装置，使它能够减少零件数目和制造步骤的数目。因此，该气体传感器能够以合理的成本制造。
并且，在前述的气体传感器中，希望将内圆柱形部分和外圆柱形部分设置成使该内圆柱形部分的侧壁设置在面对外气体引入孔的位置，并使内圆柱形部分和外圆柱形部分或者相互平行，或者它们越接近前端侧彼此就越靠近。
在JP-A-2000-304719中公开的气体传感器中，例如，内保护罩的侧壁不在面对外气体引入孔的位置。因此，从外气体引入孔引进的目标气体具有流出另一个外气体引入孔的趋势。因此，不能说该气体传感器在内保护罩中具有良好的气体置换性。
相反，在本发明中，内圆柱形部分的侧壁在面对外气体引入孔的位置处，并且该内圆柱形部分和外圆柱形部分或者相互平行或者当它们越接近前端侧时相互越靠近。因此，从外气体引入孔引进的目标气体很容易沿着该内圆柱形部分的外壁表面流向尾端，因此它能够以高流率输送到内气体引入通道。因此该气体传感器在气体置换性方面是极好的。
而且，在上述的任何气体传感器中，当该金属壳体的前端部分和该内圆柱形部分的尾端之间的最短距离为d时，并且当该内圆柱形的尾端和该外气体引入孔的尾端之间的轴向最短距离为D时，比率d/D希望在0.075到0.200的范围内。
以这种结构，可以改善传感器元件的抗水性，同时实现快速响应。如果比率d/D低于0.075，传感器的响应性降低，如果比率d/D大于0.200，防水性降低。优选d/D设置为0.08或以上，和0.180或以下，更优选d/D设置为0.100或以上，和0.150或以下。同时优选d的绝对值为0.5mm或以上。
而且，在上述任何气体传感器中，该内罩部分的内圆柱形部分和该外罩部分的外圆柱形部分之间的罩内空间中，可以将隔离部分设置成比外气体引入孔更靠近尾端侧，用来将罩内空间沿圆周方向间隔地隔离。
用这种隔离部分，可以更有效地防止与目标气体一起进入的冷凝水通过内气体引入通道进入内侧，同时保持从外气体引入孔进入的目标气体的流动性(即，可以改善防止冷凝水的侵入的效果)。因此，能够更好地改进该气体传感器的抗水性。
当该隔离部分通过将其与内罩部分一体地模制形成时，它们很容易设置在该外圆柱形部分和内圆柱形部分之间的罩部分的内部空间，从而有助于降低成本。
此外，在前述传感其中，隔离部分的面积和外气体引入孔的开口面积的比率可以设置在从5％到40％的范围内。
通过将隔离部分的面积和外气体引入孔的开口面积的比率设置在5％到40％的范围内，在充分保持目标气体流动性的同时充分地防止冷凝水的侵入。如果该比率小于5％，该冷凝水入侵防止效果降低，如果该比率大于40％，则目标气体流动性的效果降低。该比率优选设置为7.5％或以上和35％或以下。
这里，当环绕部分沿轴向从前端侧伸向尾端侧伸出时该隔离部分的面积计算为保护部分的面积。
此外，在前述的任何气体传感器中，外罩部分可以包括设置在该外圆柱形部分前端侧并具有外前端通风孔的外底面部分；内罩部分包括设置在该内圆柱形部分前端侧并具有内前端通风孔的内底面部分；该外底面部分和内底面部分或者相互紧密接触，或者可以设置成通过至少在外前端通风孔的环绕部分和内前端通风孔的环绕部分之间具有0.2mm或更小的间隙相互接近，并且外前端通风孔和内前端通风孔可以相互连通。
根据本发明，该外底面部分和内底面部分或者相互紧密接触，并且外前端通风孔和内前端通风孔可以相互连通。可选择地，该外底面部分和内底面部分设置成通过至少在外前端通风孔的环绕部分和内前端通风孔的环绕部分之间具有0.2mm或更小的间隙相互接近，并且外前端通风孔和内前端通风孔相互连通。简言之，该外底面部分和内底面部分之间的间隙相当小。由于这种结构，目标气体很难流过该外底面部分和内底面部分之间的间隙，因此，在内罩部分中的目标气体由于在外侧流动的目标气体的文氏管效应，通过相互连通的内前端通风孔和外前端通气有效地排放到外面。
此外，在前述的任何气体传感器中，该外罩部分的外前端通风孔的环绕部分和该内罩部分的内前端通风孔的环绕部分可以相互固定。
通过固定该外前端通风孔的环绕部分和该内前端通风孔的环绕部分，能够可靠地防止外罩部分和内罩部分相互脱离相对的位置。
图1是示出根据一个实施例的气体传感器的剖视图；图2是根据该实施例的气体传感器的主要部分的俯视图；图3是根据该实施例的气体传感器的主要部分的剖视图；以及图4是说明性视图，示出根据该实施例的气体传感器的保护装置。
具体实施方式
下面将参考附图描述本发明的实施例。
根据该实施例的气体传感器101的剖视图示于图1；主要部分的俯视图示于图2；该主要部分的剖视图示于图3；此外，保护装置151示于图4。在图1到图4中，下部示出前端侧，上部示出尾端侧。这个气体传感器101是氧气传感器，其连接于内燃机的废气管，用于检测废气中氧气的浓度。该气体传感器101具有沿轴线方向C延伸的气体传感器元件103；围绕该传感器元件103的圆柱形金属壳体121；和覆盖这种将暴露在废气中的该传感器元件103的前端部分105的保护装置151。
其中，该气体传感器元件103具有气体敏感特性并具有气体检测部分107，该检测部分107形成为具有封闭的前端105S的带底部的圆柱形并且能够测量待检测的目标气体中氧气的浓度。此外，在气体检测部分107的内侧，插入一个用于加热气体检测部分107的杆状加热器部分109。该气体检测元件103在靠近轴向中部还具有径向向外凸出的凸出部分111。该凸出部分111被用来将该气体传感器元件103保持在金属壳体121中。
该金属壳体121具有较薄的前端部分123，其插入该保护装置151中。该金属壳体121在其内圆周还具有架子部分(或支撑面)125，其位于该前端部分123的尾端侧的位置，用来将气体传感器元件103保持(或支撑)在轴向。另外，在架子部分125的尾端侧形成一台阶部分127。另一方面，该金属壳体121在其外圆周上具有安装螺纹部分129，其位于前端部分123的尾端侧，用于将气体传感器101安装在废气管中。还有，安装螺纹部分129在其尾端侧具有六角体凸缘部分(或工具啮合部分)131，在气体传感器101连接于废气管时使用。
这个金属壳体121同轴地保持气体传感器元件103，使该气体传感器元件103的前端部分105从该金属壳体121的前端面伸出。具体说，第一片状填充物133设置在该金属壳体121的架子部分125上。在该填充物133上，还设置有圆柱形的第一固定件135，其在其内圆周具有台阶部分。该气体传感器元件103通过第一固定件135插入，使其凸出部分111通过第二片状填充物137与第一固定件135的台阶部分136接合。在第一固定件135的尾端侧，形成有填充密封层139，该填充密封层139用粉末填充在由该气体传感器元件103的外圆周和该金属壳体121的内圆周形限定的间隙中。此外，在填充密封层139的尾端侧设置有圆柱形的第二固定件141，其在其外圆周上具有台阶形部分142，并在其内表面容纳该气体传感器元件103。在第二固定件141的尾端侧设置有附加紧固环145，其被该金属壳体121的尾端部分132额外地固定。
保护装置151由双重结构制成，其具有圆柱形的内罩部分153和圆柱形的外罩部分173，该内罩部分153用于通过一定间隙覆盖该气体传感器元件103的前端部分105，该外罩部分173设置成围绕该内罩部分153。
其中，该外罩部分173由厚度为约0.5mm的金属材料制造，并由外圆柱部分175(外径约13.1mm)和位于前者前端侧的外底面部分177构成。外圆柱形部分175在其八个部分具有外气体引入孔176，其能够将目标气体从外部引入外罩部分175的内侧。该外气体引入孔176单个地具有椭圆的形状并以相等的间隔设置在圆周方向，并且从轴向看设置在偏离中间的前端侧的位置。外底面部分177在其中心具有圆形的外前端通风孔179，其在该保护装置151的前端方向连接于外侧。
该内罩部分153由厚度为约0.3mm的金属材料制造，并由内圆柱部分155(外径约8.5mm)和位于前者前端侧的内底面部分157构成。与外圆柱形部分175不同，该内圆柱形部分155没有通风孔。另一方面，内底面部分157在其中心具有圆形的内前端通风孔159，其在前端方向连接于外侧。
另一方面，该保护装置151具有隔离部分181，用于在外气体引入孔176的尾端侧圆周地、间隔地隔离这种罩内空间171，该罩内空间是由内罩部分153的内圆柱形部分155和外罩部分173的外圆柱形部分175形的。本实施例的隔离部分181由凸翼部分183形成，凸翼183从内圆柱形部分155的尾端155K的六个部分径向向外伸出。该隔离部分181(或凸翼部分183)的面积(即当隔离部分181沿径向伸出的伸出面积)和外气体引入孔的176的开口面积之比设置为约22％。这些凸翼部分183具有六个腿部185，它们从凸翼部分183的径向外端轴向地伸向尾端侧。
在该内罩部分153和外罩部分173中，该内底面部分157和外底面部分177在内前端通风孔159的环绕部分157W和外前端通风孔179的环绕部分177W的四个部分通过约0.1mm的间隙用点焊将它们部分地相互固定。结果，内前端通风孔159和外前端通风孔179相互连通。此外，该内圆柱形部分155和该外圆柱形部分175设置成使得该内圆柱形部分155的侧壁位于与该外气体引入孔176相面对的位置，并且该内圆柱形部分155和该外圆柱形部分175相互平行。
这种保护装置151这样固定，使该外罩部分173的尾端部分180(即外圆柱形部分175的尾端部分)激光焊接于该金属壳体121的前端部分123的外圆周123E。另外，连接于隔离部分181的腿部185邻靠该属壳体121的前端部分123的前端面123S。
结果，该金属壳体121的前端部分123、外圆柱形部分175和内圆柱形部分155构造成一个内部气体引入通道191，用于将从外气体引入孔176引进的目标气体引入到内罩部分153和该气体传感器元件103的前端部分105之间的间隙。具体说，该内气体引入通道191将从外气体引入孔176、外圆柱形部分175和内圆柱形部分155之间引进的目标气体引导到尾端侧。此后，目标气体被引导经过内圆柱形部分155的尾端侧155K，从轴向看，该尾端侧155K比接合内圆周123D和外圆周123E的接合面(或前端面)的内圆周侧端边缘123ST更靠近该金属壳体121的前端部分123的前端侧。然后，目标气体被引导进入内罩部分153和气体传感器元件103的前端部分105之间的间隙，并通过内前端通风孔159和外前端通风孔179排放到该保护装置151的外面。
如图1所示，圆柱形金属外圆筒201的前端部分201S从外侧用激光方法固定于金属壳体121的六角体凸缘部分131的尾端侧。此外，橡胶等制成的护环203被金属外圆筒201的尾端开口201K的附加紧固件安装并密封。在护环203的中间设置有过滤器件205，用于将空气引入金属外圆筒201中，同时防止水气的渗透。护环203在其前端具有分离器207，其由绝缘的铝陶瓷材料制造。此外，传感器输出导线211和212以及加热器导线213和214设置成通过该护环203和分离器207。还有，第一和第二传感器端子连接件215、216和加热器端子连接件217、218的连接部分215B和215C固定在分离器207中并且相互绝缘。
在第一传感器端子连接件215中，连接部分215B夹紧并电连接传感器输出导线211，连接部分215C插入气体检测部分107的底部孔并电连接于传感器内电极层。并且，在第二传感器连接件216中，连接部分216B夹紧并电连接该传感器输出导线212，并且连接部分216C夹紧靠近气体检测部分107的尾端的外圆周，并与该传感器内电极层电连接。另一方面，加热器终端连接件217、218分别电连接于加热器导线213、214，并且分别电连接于加热器部分109的电极焊盘109B和109C。
例子下面，对根据本实施例的气体传感器101的响应性和抗水性进行单独试验。
在根据本实施例的气体传感器101中，在金属壳体121的前端部分123和内圆柱性部分155的尾端155K之间最短距离(在本实施例中即金属壳体121的前端部分123的内圆周侧端边缘123ST和内圆柱性部分155的尾端155K之间的距离)表示为d。并且，内圆柱性部分155的尾端155K和外气体引入孔176尾侧端176K之间的轴向最短距离表示为D。而且，对于本发明，在d+D＝5.9mm的条件下，用于例1的该气体传感器的d/D的值为约0.10；用于例2的该气体传感器的d/D的值为约0.079；用于例3的该气体传感器的d/D的值为约0.105；用于例4的该气体传感器的d/D的值为约0.150；用于例5的该气体传感器的d/D的值为约0.200；用于例6的该气体传感器的d/D的值为约0.217。
试验这样进行，将测试的氧气传感器连接于排量为2000cc并具有喷油器的直列四缸汽油发动机的排气管，测量氧气传感器的输出值。该汽油发动机用无铅汽油以2000rpm(转/分钟)的速度驱动。排气温度为450℃。在这种测量中，当空气/燃料(即，空气/汽油)比例为14.7的化学计量值是λ＝1时，转换控制在富条件(即，λ＝0.97)和贫条件(即λ＝1.03)之间以0.5Hz的频率通过控制氧气传感器强制进行。并且，有附加的时间段Trs和Tls，在Trs，测试的氧气传感器的输出值在条件从富变化到贫之后变成对应于λ＝1的值，在Tls，测试的氧气传感器的输出值在条件从贫变化到富之后变成对应于λ＝1的值。该结果列举在表1中。当在例1中响应时间设置为1时，响应性测试的结果用比例表示。
但是，在抗水性测试中，气体传感器101连接成伸进内径为50mm的排气管中。在这个排气管中，水在0.2Mpa的压力下从喷嘴喷入该气体传感器101，空气以3米/秒的速度吹5秒钟，然后停止5秒钟。这种循环重复3次。就在此后，观察在保护装置151中的该气体传感器元件103的外观，以证实小水滴的存在。结果，如果在该气体传感器元件103有小水滴，认为该气体传感器元件良好，如果没有小水滴，则认为不好。在每次测试中对十个样品进行试验。
在另一方面，通过综合判断响应性和防水性作出综合判断，都是好的结果用○表示，有一个不好的结果用△表示。
表1
A对比1的响应时间对1的比例B抗水性的结果(NG数目)C综合判断在响应性测试中，从表1可以看出，在响应时间比例上，例2到例6比例1好约0.05(即5％)。因此发现，在响应性方面，例2到例6的传感器比例1的好。这些结果被认为是由于在内气体引入通道191产生的阻力不减小对响应的影响，除非d/D值取相当大的值，即，除非距离d比D大得多。还发现，如果距离d远比D大，响应的改进很难被影响。考虑到传感器的响应性，建议d/D的比例为0.075或以上。
另一方面，抗水性测试证实，例1到例5在抗水性方面是极好的，但是例6的抗水性很差。因此发现，例1到例5的传感器在抗水性方面是极好的。这认为是，如果比例d/D取为很小的值，即，距离d比D小得多，从外气体引入孔176渗入的冷凝水将通过内气体引入通道191并流进内罩部分155。从这些结果可以认为，如果气体传感器的比例d/D取为0.200或以下，特别能够改善抗水性。
此外，综合判断这些响应性测试和抗水性测试，可以说，例1在响应性方面很差，而例6在抗水性方面很差，例2到例5在响应性和抗水性方面都好。
如前所述，该实施例的体气体传感器101在外罩部分173的外圆柱形部分175具有外气体引入孔176。而且，气体传感器101具有内气体引入通道191，其由金属壳体121的前端部分123、外罩部分173的外圆柱形部分175和内罩部分153的内圆柱形部分155构成。还有，该气体传感101具有沿内罩部分153的前端方向形成的内前端通孔159和沿外罩部分173的前端方向形成的外前端通孔179。
因此，从外面通过外气体引入孔176进入内侧的目标气体在外罩部分173和内罩部分153之间流向尾端侧，并经过内气体引入通道191进一步流向内罩部分153的内侧。此后，目标气体流向内罩部分153和气体传感器元件103的前端侧103之间的间隙的前端。在这之后，目标气体通过内前端通孔159和外前端通孔179排放到外面。因此，目标气体具有很好的流入特性。另一方面，在气体传感器101以其前端朝下使用的情况下，与通过外气体引入孔176从外部进入内侧的目标气体一起进入的冷凝水，沿着内罩部分153的内圆柱形部分的外壁面流动到前端侧。结果，冷凝水很难浸湿并破坏该气体传感器元件103。因此，该气体传感器101作为传感器不仅在响应性方面是极好的而且在抗水性方面也是极好的。
特别是，在该气体传感器101中，内气体引入通道191形成为比JP-A-2002-162377公开的现有的气体传感器更靠近前端侧，因此，从该内气体引入通道191到该气体传感器元件103的前端部分105的距离可以被缩短从而提高传感器的响应性。而且，该内气体引入通道191设置在前端侧，因此，该气体传感器101在直径上可以减小而不受金属壳体121的前端部分123的内圆周123D尺寸的影响。
此外，这种气体传感器101的保护装置151具有双重结构，因此它能够减少零件的数目和制造步骤的数目，所以该气体传感器101能够以合理的成本制造。
此外，在这个实施例中，内圆柱形部分155的侧壁在面对外气体引入孔176的位置，并且该内圆柱形部分155和外圆柱形部175分相互平行。因此，从外气体引入孔176引入的目标气体很容易沿着内圆柱形部分175的外壁面流向尾端侧，因此，能够以高速率输送到内气体引入通道191。
而且，前述d/D的值设置为0.075或以上，和0.200或以下，因此，可以改善气体传感器元件103的抗水性同时实现快速响应性。
此外，该实施例具有隔离部分181，因此，能够更有效地防止与目标气体一起进入的冷凝水经过内气体引入通道191进入内侧，同时保持从外气体引入孔176引入的目标气体的流动性。因此，能够改善该气体传感器101的抗水性。
而且，在这个实施例中，隔离部分181的面积对外气体引入孔176的开口面积的比率在5％到40％的范围内设置成约22％。因此，在保持目标气体流动性的同时可以充分保持防止冷凝水进入的效果。
此外，在该实施例中，外前端通风孔179和内前端通风孔159通过约0.1mm的间隙相互连通。结果，很少的目标气体流过外底面部分177和内底面部分157之间的间隙，因此，由于在外侧流动的目标气体的文氏管效应，在内罩部分153的目标气体能够有效地被排放到外面。
另外，在该实施例中，外前端通风孔179的环绕部分177W和内前端通风孔159的环绕部分157W以点焊的方式相互固定，以便可靠地防止外罩部分173和内罩部分153相互脱离。
已经结合实施例对本发明进行了描述，但不应当限制在至此所描述的实施例中。更不用说在不脱离其要点的情况下本发明能够适当地修改。
例如，该实施例具有示范性的外罩部分173，其在外圆柱形部分175的前端侧具有外前端通风孔179。但是，外罩部分可以有带底的外底面部分，而在该外圆柱形部分的前端侧没有通风孔。可选地，内罩部分可以比外罩部分更多地伸进前端侧，并且该外圆柱形部分可以设置在外圆柱形部分的前端侧，并具有一个内罩接近部分，其接近或者抵靠该内罩部分。
此外，该实施例具有示范性的内罩部分153，其位于该内圆柱形部分155的前端侧并具有内前端通风孔159，该通风孔与外侧连通，并在前端方向比保护装置151更靠近。但是，可以改变内罩部分，使形成在该内圆柱形部分前端侧的内前端通风孔设置成与外罩部分的空间连通。
此外，该实施例具有示范性的气体传感器101，其具有相互平行的内圆柱形部分153和外圆柱形部分173。但是，该气体传感器可以改变成朝向前端侧该内圆柱形部分和外圆柱形部分具有更小的间隔。
此外，该实施例具有示范性的气体传感器101，其具有外前端通风孔179和内前端通风孔159，它们通过间隙相互连接。但是该气体传感器可以改变成外罩部分和内罩部分相互密切接触，以连接该外前端通风孔和内前端通风孔。
此外，该实施例具有示范性的气体传感器元件103，其底面为圆柱形形状。但是该气体传感器元件可以具有板形形状。
此外，在该实施例中，该外气体引入孔176具有椭圆形形状，并且该内前端通风孔159和外前端通风孔179具有圆形形状。但是，这些孔的形状可以适当地改变为椭圆形或长方形。
此外，在该实施例中，该隔离部分181在六个部分径向地向外伸出。但是，隔离部分的数目和形状不限于此而可以适当地改变。
本申请使是基于2003年6月30日提交的日本专利申请JP 2003-187822，其整个内容通过参考结合于此，如同在此详细地陈述。
权利要求1.一种气体传感器，包括沿轴向延伸的气体传感器元件，并且该气体传感器元件至少在其自己的前端部分具有气体敏感特性；包围所述气体传感器元件的圆柱形金属壳体，使得所述气体传感器元件的所述前端部分从其自己的前端伸出，并包括形成在其内圆周上的支撑面，用于在所述气体传感器元件的轴向支撑；以及固定在所述金属壳体上并覆盖所述气体传感器元件的所述前端部分的保护装置，其特征在于，所述保护装置具有双重结构，包括通过一定间隙覆盖所述气体传感器元件的所述前端部分的圆柱形内罩部分和围绕所述内罩部分设置的圆柱形外罩部分，所述外罩部分包括外圆柱形部分，其具有将待测量的目标气体从外部引入到所述外罩部分内侧的外气体引入孔，所述内罩部分包括围绕所述气体传感器元件的所述前端部分的内圆柱形部分；和设置在所述内圆柱形部分前端侧的内前端通风孔，并且设置在所述金属壳体的所述支撑面的前端侧的前端部分、所述外圆柱形部分和所述内圆柱形部分被设置成构造一个内气体引入通道，用于引导从所述外气体引入孔引入的目标气体在所述外圆柱形部分和所述内圆柱形部分之间，经过所述内圆柱部分的尾端，进入所述内罩部分和所述气体传感器元件的所述前端部分之间的间隙，其中从轴向看，所述内圆柱部分的尾端比接合所述金属壳体前端部分的内圆周和外圆周的接合面的内圆周侧端边缘更靠近该前端侧。
2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，当所述金属壳体的所述前端部分和所述内圆柱形部分的尾端之间的最短距离为d时，并且当所述内圆柱形部分的尾端和所述外气体引入孔尾端之间的轴向最短距离为D时，比率d/D在0.075到0.200的范围内。
3.根据权利要求2所述的气体传感器，其特征在于，比率d/D在0.080到0.180的范围内。
4.根据权利要求2所述的气体传感器，其特征在于，比率d/D在0.100到0.150的范围内。
5.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，在所述内罩部分的所述内圆柱形部分和所述外罩部分的所述外圆柱形部分之间的罩内空间，隔离部分设置成比所述外气体引入孔更靠近尾端侧，用于沿圆周方向间隔地隔离所述罩内空间。
6.根据权利要求5所述的气体传感器，其特征在于，所述隔离部分的面积与所述外气体引入孔的开口面积的比率设置在从5％到40％的范围内。
7.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述外罩部分包括设置在所述外圆柱形部分前端侧并具有外前端通风孔的外底面部分，所述内罩部分包括设置在所述内圆柱形部分前端侧并具有所述内前端通风孔的内底面部分，所述外底面部分和所述内底面部分或者相互紧密接触，或者设置成通过至少在所述外前端通风孔的环绕部分和所述内前端通风孔的环绕部分之间具有0.2mm或更小的间隙相互接近，并且所述外前端通风孔和所述内前端通风孔相互连通。
8.根据权利要求7所述的气体传感器，其特征在于，所述外罩部分的所述外前端通风孔的环绕部分和所述内罩部分的所述内前端通风孔的环绕部分相互固定。
9.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述内圆柱形部分和所述外圆柱形部分设置成使所述内圆柱形的侧壁设置在面对所述外气体引入孔的位置，并使得所述内圆柱形部分和所述外圆柱形部分或者相互平行，或者它们越接近前端侧时越相互靠近。
专利摘要一种气体传感器，包括气体传感器元件；形成在其中的圆柱形金属壳体；和形成在其中的保护装置，其具有双重结构，包括形成在其中的内罩部分和外罩部分，并且前端部分设置在该金属壳体支撑面的前端侧，该外圆柱形部分和内圆柱形部分被设置成构造一个内气体引入通道，用于引导从所述外气体引入孔引入的目标气体在所述外圆柱形部分和所述内圆柱形部分之间，经过所述内圆柱部分的尾端，进入所述内罩部分和所述气体传感器元件的所述前端部分之间的间隙，其中从轴向看，所述内圆柱部分的尾端比接合所述金属壳体前端部分的内圆周和外圆周的接合面的内圆周侧端边缘更靠近该前端侧。
文档编号G01N27/409GK2775655SQ200420069599
公开日2006年4月26日 申请日期2004年6月30日 优先权日2003年6月30日
发明者矶村浩, 赤塚正二, 新海修 申请人:日本特殊陶业株式会社